เครื่องมือ FPGA แบบ Open Source ได้รับแรงสนับสนุนเพิ่มขึ้นขณะที่ชุมชนท้าทายการผูกมัดผู้ขาย

ขณะที่ FPGA ฉลองครบรอบ 40 ปี การเคลื่อนไหวที่เติบโตขึ้นในชุมชนวิศวกรรมกำลังผลักดันให้มีทางเลือก open source แทนเครื่องมือพัฒนาที่เป็นกรรมสิทธิ์ ในขณะที่ Xilinx XC2064 ต้นฉบับจากปี 1985 ได้พัฒนาไปเป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนในปัจจุบันที่มี logic cell หลายล้านตัว ระบบนิเวศ toolchain ยังคงถูกควบคุมโดยผู้ขายรายใหญ่อย่าง AMD/Xilinx และ Intel/Altera เป็นหลัก

Toolchain แบบ Open Source แสดงศักยภาพที่แท้จริง

ภูมิทัศน์การพัฒนา FPGA แบบ open source ได้ก้าวหน้าอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะกับโครงการอย่าง OpenXC7 , F4PGA และ LiteX เครื่องมือเหล่านี้ขณะนี้รองรับตระกูลชิปยอดนิยมรวมถึง Xilinx Series 7 , Lattice iCE40 และ ECP5 FPGAs นักพัฒนาชุมชนได้ใช้งานระบบ RISC-V ที่สมบูรณ์ซึ่งสามารถรัน Linux ได้โดยใช้ open source flow เหล่านี้สำเร็จ แสดงให้เห็นว่าเครื่องมือเหล่านี้ได้พัฒนาไปเกินกว่าโครงการ proof-of-concept แบบง่ายๆ

เรื่องราวความสำเร็จที่โดดเด่นเรื่องหนึ่งเกี่ยวข้องกับ LiteX ซึ่งสามารถผลิตการออกแบบโดยใช้เพียง 20% ของทรัพยากร FPGA ในขณะที่ synthesis เสร็จสิ้นในเวลาประมาณ 10 นาที เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องมือ Vivado ของ Xilinx ซึ่งมักใช้ 85% ของอุปกรณ์เดียวกันและต้องใช้เวลา 30-45 นาทีสำหรับงานที่คล้ายกัน ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นชี้ให้เห็นว่าเครื่องมือ open source อาจมีข้อได้เปรียบในทางปฏิบัติเกินกว่าแค่การประหยัดค่าใช้จ่าย

การเปรียบเทียบเครื่องมือ FPGA แบบ Open Source

Lattice นำทางในการสนับสนุน Open Source

Lattice Semiconductor ได้กลายเป็นผู้ขาย FPGA รายใหญ่ที่เป็นมิตรกับ open source มากที่สุด ต่างจากคู่แข่งที่ขัดขวางความพยายาม reverse engineering อย่างแข็งขัน Lattice ได้สนับสนุนการพัฒนา open source toolchain สำหรับอุปกรณ์ของตนอย่างมีประสิทธิภาพ แนวทางนี้ดูเหมือนจะขับเคลื่อนยอดขาย เนื่องจากนักพัฒนาหลายคนรายงานว่าซื้อบอร์ดและชิป Lattice โดยเฉพาะเพราะการสนับสนุนเครื่องมือ open source

กลยุทธ์ของบริษัทสมเหตุสมผลทางธุรกิจ - พวกเขาได้กำไรจากการขายซิลิคอนมากกว่าใบอนุญาตซอฟต์แวร์ อุปกรณ์ Lattice สมัยใหม่อย่าง CertusPro-NX สามารถกำหนดค่าได้ในเวลาเพียง 4 มิลลิวินาทีและกำหนดค่า fabric แบบเต็มรูปแบบเสร็จสิ้นภายใน 30 มิลลิวินาที ทำให้น่าสนใจสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการเวลา boot ที่รวดเร็ว

เวลาการบูตของ FPGA จาก Lattice

• CertusPro-NX: การกำหนดค่า I/O ใน 4ms การกำหนดค่า fabric เต็มรูปแบบใน 30ms
• Certus: การกำหนดค่าอุปกรณ์เต็มรูปแบบใน 8ms
• Avant-G: จากเปิดเครื่องจนถึงพร้อมใช้งานใน 47ms

เครื่องมือผู้ขายยังคงครองตลาดแม้จะมีข้อจำกัด

แม้จะมีความก้าวหน้าของ open source เครื่องมือกรรมสิทธิ์ของผู้ขายยังคงเป็นมาตรฐานสำหรับการพัฒนา FPGA เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม เครื่องมือเหล่านี้มาพร้อมกับข้อเสียที่สำคัญซึ่งทำให้วิศวกรหลายคนหงุดหงิด ผลลัพธ์ synthesis สามารถแตกต่างกันระหว่างการรันแม้จะมีโค้ดและพารามิเตอร์เหมือนกัน สร้างผลลัพธ์ที่คาดเดาไม่ได้ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพผลิตภัณฑ์ เครื่องมือเหล่านี้ยังมีแนวโน้มที่จะเปราะบางและยากต่อการทำซ้ำในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน

หลังจากปีของการ reverse engineering งานที่กำลังดำเนินอยู่ open source toolchain สำหรับชิป AMD/Xilinx Series 7 รวมถึง Kintex-7 รองรับตระกูลอุปกรณ์หลายตัวและกำลังขยายไปเพื่อให้ FPGA synthesis flow แบบครบวงจรที่ครอบคลุม

ลักษณะที่กำหนดได้ของเครื่องมือ open source เสนอทางเลือกที่น่าสนใจ โครงการอย่าง Tillitis ได้แสดงให้เห็นว่า open source flow สามารถผลิตผลลัพธ์ที่เหมือนกันทุก bit ทำให้สามารถตรวจสอบ FPGA bitstream แบบเข้ารหัสได้ - สิ่งที่เกือบเป็นไปไม่ได้กับเครื่องมือกรรมสิทธิ์

แรงกดดันด้านราคาขับเคลื่อนการใช้งาน

การพิจารณาต้นทุนยังสนับสนุนการใช้งาน open source ผู้จัดจำหน่ายจีนอย่าง LCSC เสนอส่วนลดที่สำคัญในชิป FPGA โดยชิ้นส่วนขายในราคา 20 ดอลลาร์สหรัฐฯ ที่มีราคา 90 ดอลลาร์สหรัฐฯ ผ่านช่องทางดั้งเดิมอย่าง Digikey อย่างไรก็ตาม การประหยัดเหล่านี้จะสมเหตุสมผลเมื่อจับคู่กับเครื่องมือพัฒนาฟรีเท่านั้น เนื่องจากใบอนุญาตเครื่องมือกรรมสิทธิ์อาจมีค่าใช้จ่ายหลายพันดอลลาร์สหรัฐฯต่อปี

สำหรับนักพัฒนารายบุคคลและบริษัทขนาดเล็ก การรวมกันของฮาร์ดแวร์ราคาลดและซอฟต์แวร์ฟรีสร้างจุดเริ่มต้นที่เข้าถึงได้ในการพัฒนา FPGA ที่ไม่มีในทศวรรษที่ผ่านมา

ตัวอย่างการเปรียบเทียบราคา FPGA

ความท้าทายยังคงอยู่สำหรับการออกแบบที่ซับซ้อน

ในขณะที่เครื่องมือ open source เป็นเลิศสำหรับการออกแบบขนาดเล็กถึงกลาง พวกเขายังคงล้าหลังเครื่องมือผู้ขายสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการมากที่สุด อินเทอร์เฟซความเร็วสูง ตัวควบคุมหน่วยความจำที่ซับซ้อน และคุณสมบัติอุปกรณ์ล้ำสมัยมักต้องการ IP core กรรมสิทธิ์และการปรับแต่งเฉพาะผู้ขาย ผู้รับเหมาป้องกันประเทศขนาดใหญ่และบริษัทการซื้อขายความถี่สูงยังคงพึ่งพาเครื่องมือผู้ขายสำหรับแอปพลิเคชันที่สำคัญที่สุด

ชุมชน open source ยอมรับข้อจำกัดเหล่านี้แต่ยังคงขยายความสามารถ งานล่าสุดมุ่งเน้นไปที่การสนับสนุนอุปกรณ์ขนาดใหญ่และบล็อก IP ที่ซับซ้อนมากขึ้น ชี้ให้เห็นว่าช่องว่างอาจลดลงเมื่อเวลาผ่านไป

วิวัฒนาการ 40 ปีของ FPGA นั้นน่าทึ่ง แต่ทศวรรษหน้าอาจเห็นการเปลี่ยนแปลงที่น่าทึ่งเท่าเทียมกันในวิธีการเขียนโปรแกรมและใช้งานอุปกรณ์เหล่านี้ เมื่อเครื่องมือ open source พัฒนาและการผูกมัดผู้ขายกลายเป็นสิ่งที่นักพัฒนายอมรับได้น้อยลง อุตสาหกรรม FPGA อาจต้องพิจารณาโมเดลธุรกิจดั้งเดิมใหม่

อ้างอิง: The FPGA turns 40!