eFPGA na ratunek mikrokontrolerom

Producenci mikrokontrolerów przyzwyczaili konstruktorów do tego, że ich katalogi zawierają dziesiątki, a niekiedy setki, wersji tych komponentów. Nawet jeśli zawęzimy wybór, określając szerokość szyny danych i architekturę rdzenia, i tak zwykle możemy przebierać do woli między modelami różniącymi się wielkością pamięci, układami peryferyjnymi, interfejsami, zasilaniem, taktowaniem oraz obudową.

Zaskakująco najwięcej wariacji jest dla prostych mikrokontrolerów, a więc 8-bitowych i starszych jednostek 32-bitowych. Nowsze i zaawansowane rozwiązania dostępne są już w zauważalnie mniejszej liczbie wersji. Powodem jest to, że dla procesów technologicznych 40 nm i poniżej koszt masek do fotolitografii znacząco rośnie, i tym samym wiele wersji oznacza dla producentów duże koszty, czyli drogie chipy. Nietrudno zauważyć, że zaawansowane mikrokontrolery z dużą ilością pamięci są dość kosztowne, i jak przekonują specjaliści od technologii półprzewodników, nie jest to wyłącznie wina segmentacji cen dokonanej przez producenta, ale skutek znacząco wyższych kosztów wytwarzania.

Na razie starsze linie technologiczne (160-180 nm) są utrzymywane, aby zapewnić dopływ na rynek tanich jednostek, ale wiadomo, że stan taki nie będzie trwał w nieskończoność. Nie chodzi nawet o to, że 8-bitowe mikrokontrolery trafią na margines z przyczyn technicznych, ale raczej, że ich wytwarzanie w nowych procesach przestanie być opłacalne w tylu wersjach, co obecnie.

Zachowanie szerokiego asortymentu być może zostanie zrealizowane poprzez integrację mikrokontrolerów z FPGA. Pozornie oznacza to większą komplikację chipów, a więc dodatkowe koszty, niemniej po zapoznaniu się ze szczegółami koncepcja wydaje się interesująca. Układy FPGA były od dawna wykorzystywane do wspomagania działania procesorów w układach cyfrowych, tym razem zostają one okrojone z niepotrzebnych dodatków, takich jak GPIO, SERDES, PLL czy PHY, i dodane w postaci bloku IP do kodu VHDL mikrokontrolera.

Embedded FPGA, czyli eFPGA, pozwala rozwiązać problem statycznego projektu mikrokontrolera, którego IP nie można zmienić po wyprodukowaniu. Funkcjonalność eFPGA może być zmieniana na etapie poprodukcyjnym, co pozwala tworzyć układy o różnych zasobach przy wykorzystaniu nowych procesów technologicznych i bez konieczności wykonywania dla każdej wersji masek. Podobnie było, gdy procesor współpracował z zewnętrznym FPGA, ale tym razem dzięki integracji w jednej strukturze nie wiąże się to ze zwiększonym poborem mocy, miejscem na płytce, no i oczywiście kosztem.

Jako dodatkową premię mikrokontroler wyposażony w eFPGA zyskuje dużą wydajność, bo w tym obszarze implementowane są bloki akceleratorów graficznych, jednostki szyfrujące dane, programowalne interfejsy I/O, DSP, które są w stanie działać przy minimalnym zaangażowaniu procesora głównego, co sprzyja oszczędzaniu energii i dużej wydajności. Przesunięcie skomplikowanego obliczeniowo zadania do eFPGA zapewnia od 30 do nawet 130 razy większą szybkość realizacji zadań.

Nabywca mikrokontrolera nawet nie musi wiedzieć, że zawiera on FPGA, bo jednostka ta jest programowana na etapie produkcji, ale gdy idea się dostatecznie upowszechni, nic nie stoi na przeszkodzie, aby pozwolić klientowi na to, aby samodzielnie zaprogramował sobie funkcjonalność mikrokontrolera za pomocą IP własnego lub kupionego na rynku. Nie ma też przeszkód technicznych, aby funkcjonalność mogła być zmieniana podczas pracy, czyli będzie możliwe, aby relatywnie słabo wyposażonym chipem wykonywać złożone zadania.

Pomysły z łączeniem mikrokontrolera i FPGA są znane i rozwijane od lat. Niemniej zawsze były traktowane jako coś bardzo zaawansowanego, drogiego i trochę ekskluzywnego. Wydaje się, że tym razem FPGA na dobre trafi pod strzechy.

Robert Magdziak