A aceleração de hardware, particularmente na forma de lógica personalizada, está ajudando redes sem fio, prestadores de serviços em nuvem e outras empresas a atender rapidamente às necessidades crescentes de desempenho, menor consumo de energia e menor custo total de propriedade. Em serviços sem fio de grande largura de banda, por exemplo, o 5G exige taxas de clock mais altas dentro de um limite restrito de consumo.
Nos estágios iniciais, os produtos programáveis para equipamentos sem fio oferecem vantagens de projeto em relação ao hardware fixo para acelerar certas funções, especialmente considerando que as redes continuam a evoluir. Em data centers em nuvem, a lógica personalizada pode acelerar algoritmos relacionados a armazenamento, segurança e outras funções. Aplicativos de borda e embarcados podem se beneficiar da aceleração para inferência de IA. A aceleração também pode dar suporte à transição para os padrões mais recentes de vídeo de alta definição em 8K em limites térmicos desafiadores.
Quando se trata de projeto de hardware, os arquitetos de sistema podem escolher entre vários tipos de soluções lógicas personalizadas. FPGAs, ASICs estruturados e ASICs fazem parte do conjunto lógico personalizado. Para equilibrar as necessidades de flexibilidade, desempenho, consumo de energia e custo total de propriedade, bem como os requisitos de tempo de colocação no mercado, os arquitetos precisarão escolher o tipo de hardware mais adequado às suas circunstâncias.
FPGAs
Os Field programmable gate arrays (FPGAs, Arranjos de portas programáveis em campo) são circuitos integrados com uma malha de hardware programável. O circuito dentro de um FPGA é projetado para implementar uma ampla variedade de funções diferentes, podendo ser reprogramado para executar essas funções conforme necessário. Como resultado, os FPGAs são, tipicamente, uma excelente escolha em termos de flexibilidade e rapidez para lançamento no mercado.
Os FPGAs são pré-fabricados e programados pelo cliente em seus laboratórios ou no campo. Eles não exigem custo de engenharia não recorrente (NRE) e podem ajudar os inovadores a chegar ao mercado com extrema rapidez. Isso torna os FPGAs uma ótima opção para diferenciação em um ambiente em rápida mudança.
ASICs
À medida que novos recursos amadurecem, pode ser mais econômico e eficiente em termos de energia fortalecer os projetos de circuitos integrados. Os circuitos integrados de aplicação específica (ASICs) são construídos sob medida e produzidos em massa para uma função específica. Ao contrário dos FPGAs, eles não podem ser reprogramados e exigem um investimento significativo em NRE.
Com um ASIC padrão baseado em célula, cada camada do circuito integrado deve ser personalizada. Isso requer ferramentas de software e equipes especializadas projetando para a funcionalidade pretendida, além de investimentos significativos no desenvolvimento de arquitetura de projeto para teste (DFT, Design for Test) para garantir que o projeto possa ser fabricado e tenha boa qualidade.
ASICs estruturados
Um ASIC estruturado é um passo incremental entre um FPGA e um ASIC baseado em célula. Os ASICs estruturados começam com uma matriz de base comum com lógica, memória, E/S, transceptores e um hard processor system. Os designers precisam apenas personalizar a interconexão, pulando muitas das etapas envolvidas no fluxo de projeto ASIC baseado em células e, em vez disso, concentrando-se na implementação da funcionalidade personalizada desejada. Em essência, um ASIC estruturado oferece menor consumo de energia com menor custo unitário em comparação com os FPGAs, um tempo mais rápido de comercialização, e um NRE mais baixo em comparação com os ASICs baseados em célula.
O que escolher e quando?
Os projetistas e arquitetos de sistema devem equilibrar flexibilidade, desempenho, consumo de energia e custo total de propriedade com os requisitos de tempo de comercialização para fazer a escolha da solução da tecnologia lógica personalizada.
Desempenho e consumo de energia
Para maximizar o desempenho por watt, os ASICs baseados em células podem ser a melhor escolha, à custa de um maior investimento inicial em NRE e ciclos de projeto mais longos, em comparação com os FPGAs ou componentes ASIC estruturados. Esta escolha também assume que o produto não precisa de capacidade de reprogramação ou alterações nos algoritmos durante seu ciclo de vida.
Custos de desenvolvimento e produção
Para os projetos nos quais os custos de desenvolvimento são uma preocupação, os ASICs estruturados ou os FPGAs provavelmente serão as melhores escolhas. Embora um ASIC tenha o menor custo de fabricação por unidade, ele possui o maior custo de NRE. Portanto, esta opção só pode fazer sentido para projetos com expectativas de volume de produção significativamente maiores. Os projetos FPGA geralmente não exigem custos iniciais de NRE e podem escalar de centenas a centenas de milhares de unidades. Graças ao seu fluxo de projeto simplificado e personalização, um ASIC estruturado tem um menor custo de desenvolvimento em comparação com os ASICs baseados em células em nós de processos semelhantes, e pode ser uma abordagem econômica para economizar custo e consumo de energia em volumes menores.
Tempo de comercialização
Projetos nos quais o tempo de comercialização é a maior preocupação entre os demais fatores devem considerar primeiro os FPGAs. Dependendo da complexidade do projeto, um FPGA, em geral, leva semanas ou meses para ser projetado. Um ASIC estruturado leva cerca de seis a nove meses, dependendo da complexidade, com um ASIC baseado em células exigindo algo entre 18 e 24 meses.
Planejando um caminho de migração
Ao implementar soluções lógicas personalizadas, é importante considerar o possível caminho de migração de um tipo de tecnologia lógica personalizada para outro, para dar suporte às necessidades do ciclo de vida, desde a prototipagem e a produção inicial até a produção em massa. Um projeto iniciado em um FPGA pode ser reforçado em um ASIC estruturado ou baseado em célula. Da mesma forma, os arquitetos de sistema podem migrar de um ASIC estruturado para um baseado em célula para aumentar o volume em grande escala.
No entanto, a migração de um tipo de hardware para outro pode exigir mudanças não apenas na placa de circuito impresso (PCB), mas também na propriedade intelectual, bem como nos processadores e no desenvolvimento do software associado. Essas alterações adicionam tempo e custo à transição.
Intel® FPGAs, ASICs estruturados e ASICs baseados em células
O uso de vários fornecedores para o desenvolvimento de FPGA, ASIC estruturado e ASIC baseado em célula pode levar a desafios de compatibilidade e tradução do projeto de um processo de desenvolvimento para outro, retardando o tempo de comercialização.
Por oferecer um conjunto completo de soluções lógicas personalizadas, a Intel simplifica a migração e reduz a quantidade potencial de retrabalho. Agora os projetistas têm opções de soluções para otimizar a flexibilidade, consumo, desempenho, custo e requisitos de tempo de comercialização para cada projeto e ao longo do ciclo de vida do produto. Os Intel® FPGAs oferecem um tempo rápido de comercialização, com a maior flexibilidade. Os ASICs estruturados Intel® eASIC™ reduzem o consumo de energia e os custos por dispositivo, ao mesmo tempo em que oferecem um NRE menor e um tempo mais rápido de comercialização do que os ASICs baseados em célula.
Esta seleção aprimorada também é compatível com hard processors e sistemas de segurança suportados, aproveitados dos Intel® FPGAs e soluções de pacotes personalizados. Isso permite que os fabricantes evitem esforços dispendiosos de reprojeto do circuito impresso.
Intel® FPGAs
Os produtos Intel® FPGA abrangem uma variedade de famílias, incluindo as bem-recebidas séries Intel® Agilex™ e Intel® Stratix®. Construído para alta velocidade com um pequeno consumo, os Intel® FPGAs ajudam os arquitetos de sistema a permanecerem dentro de suas limitações de desempenho, consumo e preço, ao mesmo tempo em que alcançam um tempo rápido de comercialização. E como eles compartilham um IP comum com os ASICs estruturados Intel mais recentes, esses FPGAs oferecem vantagens como ponto de partida para projetos que podem migrar para um ASIC estruturado no futuro.
Componentes Intel® eASIC™
Os componentes Intel® eASIC™ são ASICs estruturados projetados para ajudar a reduzir os custos de consumo e por unidade em relação aos FPGAs com menor NRE e tempo mais rápido de comercialização, em comparação com os ASICs baseados em célula.
O Intel® eASIC™ N5 pela primeira vez adiciona um hard processor system de quatro núcleos e um gerenciador de dispositivos seguro, adaptado dos FPGAs Intel® Agilex™.
As interfaces incluindo JESD204 ADC/DAC e os protocolos de conectividade, incluindo Ethernet 10/25G, estão disponíveis para dispositivos Intel® FPGA e Intel® eASIC™ N5X para facilitar a migração do projeto.
Dispositivos Intel® easicopy™
Para um caminho sem dificuldades de ASICs estruturados para ASICs baseados em célula, os dispositivos Intel® easicopy™ possibilitam a transição para a produção de volume muito alto. Esses dispositivos funcionam implementando o projeto do cliente em portas de célula padrão, mas tomando emprestado parte do processador, segurança, transceptor e IP de E/S das famílias de ASIC estruturado.
Ferramentas do desenvolvedor
Além do hardware, a Intel oferece ferramentas e software para desenvolvedores. As ferramentas de desenvolvedores, como o software Intel® Quartus® Prime Pro Edition, ajudam a reduzir o tempo de desenvolvimento e o custo de projetos do FPGA.
As Intel® eASIC™ eTools oferecem uma estrutura de conversão e validação de projeto usando uma combinação de ferramentas desenvolvidas internamente e de terceiros, padrão do setor. Isso inclui bibliotecas de síntese e simulação, wrappers de IP para implementar funções eASIC, bem como scripts para validação de código e execução de ferramentas de síntese e simulação de terceiros. O Intel® Quartus® software Platform Designer é usado para a configuração sistema de processador rígido. O DSP Builder for Intel® FPGAs também pode gerar código RTL pronto para FPGA e eASIC™.
Com um portfólio diversificado de silício, a Intel possibilita que os arquitetos de sistema projetem soluções incrivelmente personalizadas. Somente a Intel fornece processadores Intel® Xeon®, Intel® FPGAs, ASICs e novos componentes ASIC estruturados. Essa variedade compreende um conjunto lógico personalizado que permite que os arquitetos atendam às suas necessidades únicas de tempo de comercialização, desempenho, consumo e custo.