Hardware-Beschleunigung, insbesondere in Form von kundenspezifischer Logik, hilft kabellosen Netzwerken, Anbietern von Cloud-Diensten und anderen Unternehmen, den schnell wachsenden Anforderungen an Leistung, geringeren Stromverbrauch und niedrigere Gesamtbetriebskosten gerecht zu werden. Bei Wireless-Diensten mit hoher Bandbreite erfordert 5G beispielsweise höhere Taktraten bei einem begrenzten Energiebudget.
In der Anfangsphase bieten programmierbare Produkte für Wireless-Geräte Designvorteile gegenüber fester Hardware, um bestimmte Funktionen zu beschleunigen, insbesondere wenn sich die Netzwerke weiter entwickeln. In Cloud-Rechenzentren kann benutzerdefinierte Logik Algorithmen in Bezug auf Speicherung, Sicherheit und andere Funktionen beschleunigen. Edge- und eingebettete Anwendungen können von der Beschleunigung für KI-Inferencing profitieren. Beschleunigung kann auch den Übergang zu den neuesten 8K-High-Definition-Videostandards bei anspruchsvollen thermischen Budgets unterstützen.
Für das Hardware-Design stehen Systemarchitekten mehrere Arten von kundenspezifischen Logiklösungen zur Verfügung. FPGAs, strukturierte ASICs und ASICs sind alle Teil des Kontinuums der kundenspezifischen Logik. Um ein Gleichgewicht zwischen den Anforderungen an Flexibilität, Leistung, Leistungsaufnahme und Gesamtbetriebskosten sowie den Anforderungen an die Markteinführung zu finden, müssen Architekten den für ihre Situation am besten geeigneten Hardwaretyp auswählen.
FPGAs
Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) sind integrierte Schaltungen mit einer programmierbaren Hardwarestruktur. Die Schaltkreise in einer FPGA sind so konzipiert, dass sie eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen implementieren und je nach Bedarf umprogrammiert werden können, um diese Funktionen auszuführen. Infolgedessen sind FPGAs in der Regel eine ausgezeichnete Wahl in Bezug auf Flexibilität und schnelle Markteinführung.
FPGAs sind vorgefertigt und werden vom Kunden in den eigenen Labors oder vor Ort programmiert. Sie erfordern keine einmaligen Entwicklungskosten (NRE) und können Innovatoren helfen, extrem schnell auf den Markt zu kommen. Dies macht FPGAs zu einer großartigen Option für die Differenzierung in einem sich schnell verändernden Umfeld.
ASICs
Wenn neue Funktionen ausgereift sind, kann es wirtschaftlicher und energieeffizienter sein, integrierte Schaltkreisdesigns zu härten. Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) werden speziell für eine bestimmte Funktion entwickelt und in Massenproduktion hergestellt. Im Gegensatz zu FPGAs können sie nicht umprogrammiert werden, und sie erfordern eine erhebliche NRE-Investition.
Bei einem ASIC auf Standardzellenbasis muss jede Schicht der integrierten Schaltung angepasst werden. Dies erfordert spezialisierte Design-Teams und Software-Tools, die für die vorgesehene Funktionalität entwickelt werden, sowie erhebliche Investitionen in die Entwicklung der Design-for-Test-Architektur (DFT), um sicherzustellen, dass das Design herstellbar ist und eine gute Qualität aufweist.
Strukturierte anwendungsspezifische integrierte Schaltungen
Ein strukturierter ASIC ist ein inkrementeller Schritt zwischen einem FPGA und einem zellenbasierten ASIC. Strukturierte ASICs beginnen mit einem gemeinsamen Basis-Array mit Logik, Speicher, I/O, Transceivern und einem festen Prozessorsystem. Designer müssen nur die Interconnect anpassen und können so viele Schritte des zellenbasierten ASIC-Designflusses überspringen und sich stattdessen auf die Implementierung der gewünschten kundenspezifischen Funktionalität konzentrieren. Im Wesentlichen bietet ein strukturiertes ASIC einen geringeren Stromverbrauch mit geringeren Stückkosten im Vergleich zu FPGAs und eine schnellere Markteinführungszeit mit einem geringeren NRE im Vergleich zu zellenbasierten ASICs.
Was wählen und wann?
Designer und Systemarchitekten müssen Flexibilität, Leistung, Stromverbrauch und Gesamtbetriebskosten mit den Anforderungen an die Markteinführung in Einklang bringen, um eine kundenspezifische Logiklösung zu finden.
Leistung und Leistungsaufnahme
Um die Leistung pro Watt zu maximieren, können zellenbasierte ASICs die beste Wahl sein, allerdings auf Kosten höherer NRE-Investitionen und längerer Designzyklen im Vergleich zu FPGAs oder strukturierten ASIC-Geräten. Diese Wahl setzt auch voraus, dass das Produkt während des Produktlebenszyklus keine Umprogrammierbarkeit oder Änderungen an Algorithmen benötigt.
Entwicklungs- und Produktionskosten
Für Projekte, bei denen es um die Entwicklungskosten geht, sind entweder strukturierte ASICs oder FPGAs die beste Wahl. Ein ASIC hat zwar die niedrigsten Herstellungskosten pro Einheit, aber auch die höchsten NRE-Kosten, sodass diese Option nur bei Designs sinnvoll ist, die ein deutlich höheres Produktionsvolumen erwarten lassen. FPGA-Designs erfordern in der Regel keine NRE-Kosten und können von Hunderten auf Hunderttausende von Einheiten skaliert werden. Dank des vereinfachten Designablaufs und der kundenspezifischen Anpassung sind die Entwicklungskosten für strukturierte ASICs im Vergleich zu zellenbasierten ASICs auf ähnlichen Prozessknoten niedriger und können ein wirtschaftlicher Ansatz sein, um Kosten und Energie bei geringeren Stückzahlen zu sparen.
Produkteinführungszeit
Für Projekte, bei denen die Zeit bis zur Markteinführung wichtiger ist als alle anderen Faktoren, sollten FPGAs zuerst in Betracht gezogen werden. Je nach der Komplexität des Designs kann die Entwicklung eines FPGAs Wochen oder Monate dauern. Ein strukturierter ASIC benötigt je nach Komplexität etwa sechs bis neun Monate, ein zellenbasierter ASIC zwischen 18 und 24 Monaten.
Planen eines Migrationspfades
Bei der Implementierung kundenspezifischer Logiklösungen ist es wichtig, den möglichen Migrationspfad von einer Art kundenspezifischer Logiktechnologie zu einer anderen zu berücksichtigen, um die Anforderungen des Lebenszyklus vom Prototyping und der frühen Produktion bis hin zur Massenproduktion zu unterstützen. Ein auf FPGA initiiertes Design kann entweder auf einem strukturierten oder zellenbasierten ASIC gehärtet werden. Ebenso können Systemarchitekten von einem strukturierten ASIC zu einem zellenbasierten System migrieren, um das Volumen massiv zu erhöhen.
Die Umstellung von einem Hardwaretyp auf einen anderen könnte jedoch nicht nur Änderungen an der Leiterplatte (PCB), sondern auch am geistigen Eigentum sowie an den Prozessoren und der damit verbundenen Softwareentwicklung erfordern. Diese Änderungen führen zu einem zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand bei der Umstellung.
Intel® FPGAs, strukturierte ASICs und zellenbasierte ASICs
Die Verwendung mehrerer Anbieter für die Entwicklung von FPGAs, strukturierten ASICs und zellenbasierten ASICs kann zu Problemen mit der Kompatibilität und der Übertragung des Designs von einem Entwicklungsprozess zum anderen führen, was die Markteinführung verlangsamt.
Intel bietet ein komplettes Kontinuum kundenspezifischer Logiklösungen an, was die Migration vereinfacht und den Umfang möglicher Nacharbeiten reduziert. Entwickler haben nun die Wahl zwischen verschiedenen Lösungen, um die Anforderungen an Flexibilität, Stromverbrauch, Leistung, Kosten und Markteinführungszeit für jedes Projekt und während des gesamten Produktlebenszyklus zu optimieren. Intel® FPGAs bieten eine schnelle Markteinführungszeit mit höchster Flexibilität. Die strukturierten ASICs von Intel® eASIC™ reduzieren den Stromverbrauch und die Kosten pro Gerät und bieten gleichzeitig eine niedrigere NRE und eine kürzere Markteinführungszeit als zellenbasierte ASICs.
Diese erweiterte Auswahl wird auch durch kompatible Hartprozessoren und Sicherheitssysteme unterstützt, die von Intel® FPGAs und kundenspezifischen Paketlösungen genutzt werden. Diese ermöglichen es Herstellern, kostspielige PCB-Redesigns zu vermeiden.
Intel® FPGAs
Intel® FPGA Produkte umfassen eine Vielzahl von Produktreihen, darunter die beliebten Intel® Agilex™ und Intel® Stratix® Reihen. Die für hohe Geschwindigkeit bei geringem Stromverbrauch konzipierten Intel® FPGAs helfen Systemarchitekten, ihre Leistungs-, Strom- und Preisbeschränkungen einzuhalten und gleichzeitig eine schnelle Markteinführung zu erreichen. Und da sie gemeinsame IP mit den neuesten strukturierten ASICs von Intel teilen, bieten diese FPGAs Vorteile als Ausgangspunkt für Designs, die in Zukunft auf einen strukturierten ASIC migrieren können.
Intel® eASIC™ Bauelemente
Bei den Intel® eASIC™ Bauelementen handelt es sich um strukturierte ASICs, die dazu beitragen, den Stromverbrauch und die Stückkosten im Vergleich zu FPGAs zu senken, und die im Vergleich zu zellenbasierten ASICs eine geringere NRE und eine kürzere Markteinführungszeit aufweisen.
Der Intel® eASIC™ N5X bietet erstmals ein Quad-Core-Hardprozessorsystem und einen sicheren Gerätemanager, der von Intel® Agilex™ FPGAs übernommen wurde.
Schnittstellen wie JESD204 ADC/DAC und Konnektivitätsprotokolle wie 10/25G Ethernet sind sowohl für Intel® FPGA als auch für Intel® eASIC™ N5X Geräte verfügbar, um die Designmigration zu erleichtern.
Intel® easicopy™ Bauelemente
Für einen nahtlosen Übergang von strukturierten zu zellenbasierten ASICs ermöglichen Intel® easicopy™ Bauelemente den Übergang zu einer sehr hohen Produktionsmenge. Diese Geräte implementieren das Design des Kunden in Standardzellen-Gates, leihen sich aber einen Teil der Prozessor-, Sicherheits-, Transceiver- und IO-IP aus den strukturierten ASIC-Produktreihen.
Tools für Entwickler
Neben der Hardware bietet Intel Entwicklertools und Software an. Entwicklertools wie die Intel® Quartus® Prime Pro Edition Software tragen dazu bei, die Entwicklungszeit und die Kosten für FPGA-Designs zu reduzieren.
Die Intel® eASIC™ eTools verfügen über einen Rahmen für die Designkonvertierung und -validierung unter Verwendung einer Kombination aus intern entwickelten Tools und branchenüblichen Tools von Drittanbietern. Dazu gehören Synthese- und Simulationsbibliotheken, IP-Wrapper zur Implementierung von eASIC-Funktionen, Skripte für die Code-Validierung und die Ausführung von Synthese- und Simulationstools von Drittanbietern. Die Intel® Quartus® Software Platform Designer wird für die Konfiguration des festen Prozessorsystems verwendet. DSP Builder for Intel® FPGAs kann auch RTL-Codes für Verwendung mit FPGA- und eASIC™ ausgeben.
Mit einem breit gefächerten Portfolio aus Silizium ermöglicht Intel Systemarchitekten die Entwicklung unglaublich individueller Lösungen. Nur Intel bietet Intel® Xeon® Prozessoren, Intel® FPGAs, ASICs und neue strukturierte ASIC Geräte. Dieses Sortiment umfasst ein kundenspezifisches Logik-Kontinuum, das es Architekten ermöglicht, ihre individuellen Anforderungen an Markteinführung, Leistung, Stromverbrauch und Kosten zu erfüllen.