Neue FPGA-Architektur
Gegen die Großen im Markt
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Handfeste technische Vorteile
Gude ist überzeugt, dass Cologne Chip mit GateMate eine FPGA-Architektur realisiert hat, die sich von konkurrierenden Ansätzen in folgenden Punkten positiv abhebt:
- 8 (statt typischerweise 4 bis 6) kombinatorische Eingänge mit einem sog. LUT-Tree
- CPE für 2 × 4 Eingänge oder für 1 × 8 Eingänge konfigurierbar
- zwei routbare Ausgänge
- sechs Verbindungen von einem CPE direkt zu seinen Nachbar-CPEs
- zwei Ein- und Ausgänge für spezielle Funktionen, z.B. RAM-Anbindung
- CPE als zwei Full-Adder konfigurierbar
- CPE als 2×2-bit-Multiplikationselement konfigurierbar.
Und diese Architektur bringt konkrete Vorteile mit sich. Zum Beispiel erhöhe das Mehr an Eingängen pro LUT (von 6 auf 8 Eingänge) die kombinatorische Leistung signifikant. Außerdem »gibt es keine Cluster von acht Elementen, sodass das Timing weitgehend homogen ist und keine Sprünge auftreten, wenn man z.B. 9 bit anstatt 8 bit verwenden will«, so Gude weiter. Außerdem seien Multiplizierer mit beliebiger Größe realisierbar, sodass sowohl KI-Ansätze (KI: künstliche Intelligenz) als auch DSP-Funktionalitäten unterschiedlichster Komplexität möglich sind. Und: »Die Chip-Fläche wird nicht durch u.U. nicht genutzte Multiplizierer verringert«, erklärt Gude weiter.
Darüber hinaus könne durch die Nutzung verschiedener Core-Spannungen (0,9 V, 1,0 V, 1,1 V) die Stromaufnahme und die Geschwindigkeit des FPGAs angepasst werden. Gude: »Besonderheit ist hier, dass es bei GateMate keine Speedgrades oder L-Versionen gibt. Jeder Chip kann entsprechend unterschiedlich eingesetzt werden. Es ist sogar möglich, die Eigenschaften während des Betriebs zu ändern.« Die Start- und Stand-by-Leistungsaufnahme liegt bei ca. 10 mA. Gude weiter: »Es gibt bei GateMate keine erhöhten Anlaufströme wie bei anderen FPGAs.« Angaben zu Taktraten und Geschwindigkeiten sind von der jeweiligen Applikationsschaltung abhängig und damit schwierig pauschal anzugeben. Nur so viel: »Im Speed Mode erreichen Schaltungen mit geringer Logiktiefe ca. 200 bis 300 MHz«, so Gude.
Gude weist noch auf eine weitere Besonderheit von GateMate hin: eine spezielle Chip-Technologie, die es ermöglicht, mit einem Produktions-Maskensatz eine Vielzahl von unterschiedlichen FPGA-Größen zu generieren. »Jeder Einzel-Die auf dem Wafer ist mit über 1000 Verbindungen mit den Nachbar-Dies verbunden, sodass wir unterschiedlich große Arrays von FPGAs aus den Wafern schneiden können. Für weitere FPGAs sind dann nur noch entsprechende Gehäuse anzupassen und der Endtest zu realisieren.« Demzufolge ist das Timing auf allen Teil-Dies identisch mit der Einzel-Die-Version und auch der RAM-Anteil ist identisch. Derzeit ist die Einzel-Die-Variante „CCGM1A1“ verfügbar, im zweiten Quartal sollen Produktionsstückzahlen vorliegen.
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Niedrigste spezifische Kosten
Cologne Chip beansprucht für seine GateMate-FPGAs die »niedrigsten spezifischen Kosten am Markt«. Was ist darunter zu verstehen? Gude: »Darunter versteht man die Kosten pro nutzbarer Schaltungsfunktion, also zum Beispiel die Kosten pro LUT4/FlipFlop-Funktion. Hier liegen wir nach unseren Untersuchungen deutlich besser als die Mitbewerber. Ferner sind auch die absoluten Kosten eines FPGA wichtig. Denn es ist klar, dass man einen 1000-Dollar-Baustein nicht in ein Gerät mit einem Verkaufspreis von unter 1000 Dollar einsetzen kann. Mit unserem Preis ab 10 Dollar in Stückzahlen gehen wir davon aus, dass FPGAs nun auch in Anwendungen Einsatz finden können, die bislang aufgrund der Kosten für FPGAs verschlossen waren.« Aus Sicht von Gude ist dieser Punkt auch deshalb wichtig, weil auch heute noch FPGAs gemessen an der realisierbaren Schaltungskomplexität verglichen mit ASICs nach wie vor relativ ineffizient und damit teuer sind. »Deshalb ist es besonders wichtig, dass die Schaltungsarchitektur besonders effizient ist«, so Gude weiter.
Tools und Dienstleistungen stehen zur Verfügung
Ein Problem, mit dem viele Neueinsteiger am FPGA-Markt zu kämpfen hatten, waren die Tools. Doch auch dieser Punkt ist für Cologne Chip kein K.O.-Kriterium, denn laut Gude hat Cologne Chip die gesamte Tool-Kette für die physische Implementation (Mapping, Placement und Routing) von Kundendesigns selbst entwickelt. Gude betont: »Dabei haben wir uns auf die besten wissenschaftlichen Erkenntnisse, wie z.B. Bonntools, gestützt. Ferner ist in unsere Tool-Kette die Timing-Extraktion und eine statische Timing-Analyse integriert. Und bald werden wir auch alle üblichen Tools, insbesondere auch offene Tools, für die Synthese unterstützen.«
Darüber hinaus bietet Cologne Chip auch ein Tool an, mit dem bestehende FPGA-Designs auf GateMate portiert werden können. Etwas überraschend, doch Gude ist überzeugt, »dass unsere neuen GateMate-FPGAs zuerst für Kunden attraktiv sind, die bereits FPGAs einsetzen. Um diesen Kunden den Einstieg möglichst einfach zu machen, gibt es ein Conversion Tool, das die einfache und schnelle Umsetzung existierender Designs ohne Neusynthese etc. ermöglicht. Dabei möchte ich betonen, dass dieser Weg nicht etwa zu schlechteren Ergebnissen gegenüber einer Synthese aus einer HDL führt. Darüber hinaus bieten wir eine kostenlose Designumsetzung für unsere Kunden mit diesem Tool an.«
GlobalFoundries ist Fertigungspartner
Für GlobalFoundries ist Cologne Chip das erste Unternehmen, das seine Fertigungsdienstleistung nutzt, um FPGAs zu produzieren. Die GateMate-FPGAs wiederum sind die ersten, die nicht nur in Deutschland entwickelt, sondern auch hier produziert werden Die Foundry nutzt für die Fertigung seinen 28-nm-SLP-Prozess. Im Vergleich zu Intel oder Xilinx, die für ihre neuesten FPGAs auf 10- oder 7-nm-Prozesse setzen, ist der 28-nm-SLP-Prozess schon alt. Warum also nutzt Cologne Chip nicht ebenfalls einen moderneren Prozess? Gude: »Wir haben uns bereits vor einigen Jahren für die 28-nm-SLP-Variante von GlobalFoundries entschieden; damals war das noch der modernste Prozess, der verfügbar war. Aber auch heute bringt diese Prozesstechnik Vorteile wie niedrige Kosten bei hoher Fertigungsausbeute.«
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