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Mit FPGAs „Made in Germany“ gegen die etablierte Konkurrenz

Autor: Michael Eckstein

Kühles Kölsch: Mit seinen in Köln entwickelten GateMate-FPGAs tritt Cologne Chip gegen die etablierten Player Xilinx, Intel sowie Microchip und Lattice an – und will mehr als Achtungserfolge erringen. Kann das gelingen? Interessante Architekturmerkmale und ein durchdachtes Gesamtkonzept samt Fertigung in Dresden sprechen dafür.

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Gut vernetzt: Dank hoher kombinatorischer Leistung eignet sich das GateMate-FPGA von Cologne Chip auch für das Beschleunigen von KI-Funktionen.
Gut vernetzt: Dank hoher kombinatorischer Leistung eignet sich das GateMate-FPGA von Cologne Chip auch für das Beschleunigen von KI-Funktionen.
(Bild: Cologne Chip)

Der deutsche Chip-Entwickler Cologne Chip, primär bekannt für seine Telekommunikations-Chips, steigt in den hart umkämpften FPGA-Markt ein. Im Köcher hat er eine interessante Architektur, die auf flexibel konfigurierbare Logikblöcke mit mehr Ein- und Ausgängen sowie Querverbindungen als üblich setzt.

Als Newcomer auf dem Markt für FPGAs zu bestehen ist praktisch unmöglich. Sagte sinngemäß John East, President und CEO von Actel, als das 2004 gegründete Achronix 2013 mit seinen programmierbaren Speedster-22i-Logikbausteinen auf der Bühne erschien. Er hatte Unrecht: Allein 2017 konnte Achronix seinen Umsatz um ca. 700% auf rund 100 Mio. US-$ steigern. Und der 2019 zum FPGA-Kongress vorgestellte Speedster7t war der erste im damals brandneuen 7-nm-CMOS-Prozess hergestellte FPGA.

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Actel selbst ist heute Geschichte: Die frühere FPGA-Größe wurde 2010 von Microsemi geschluckt, das wiederum seit 2018 ein Tochterunternehmen von Microchip ist. An der seit Jahren zementierten Marktaufteilung haben diese Ereignisse allerdings wenig geändert: Xilinx und Intel mit seinem Zukauf Altera beherrschen heute rund 90% des FPGA-Marktes.

Deutsche Ingenieurskunst soll festgefahrenen FPGA-Markt auflockern

Jetzt also Cologne Chip: Das Kölner Unternehmen konnte bereits vor 25 Jahren mit seinen ISDN-Chips Branchengrößen wie Siemens, Lantiq und Intel den Schneid abkaufen. Und will nun mit seinen neuen GateMate-FPGAs das Marktgefüge zu seinen Gunsten auflockern. Dafür wartet der Chip mit einigen Besonderheiten auf, etwa die enorme Skalierbarkeit der neuartigen Architektur mit ihren „Cologne Programmable Elements“ (CPEs) oder die wählbaren Betriebsmodi Low Power, Economy und Speed.

Erstes Alleinstellungsmerkmal ist bereits die Herkunft: GateMate ist ein waschechter „Made in Germany“-Chip – entwickelt in Köln, gefertigt im 28-nm-SLP-CMOS-Prozess bei Globalfoundries in Dresden. Unterstützt wird das GateMate-FPGA-Programm vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des IPCEI-Projekts zur Mikroelektronik. „Unsere Kunden profitieren von der Produktion in der Fabrik 1 von Globalfoundries in Dresden. So wird das Risiko von Handelsbeschränkungen oder hohen Zöllen mit GateMate-FPGAs minimiert“, sagt Dr. Michael Gude, CEO von Cologne Chip.

Niedrigste spezifische Kosten, geringe TCO

Statt auf Superlative wie Abermillionen von Logikelementen und höchste Transferraten setzt Cologne Chip bei der Vermarktung auf Argumente wie die niedrigsten spezifischen Kosten der derzeit erhältlichen FPGAs. Darunter versteht Gude die Kosten pro nutzbarer Schaltungsfunktion, etwa pro LUT4/FlipFlop: „Gegenüber unseren Wettbewerbern liegen wir hier klar vorne.“ Dies macht sich auch im Gesamtpreis für ein FPGA bemerkbar: In Stückzahlen will Cologne Chip den Baustein ab 10 US-$ verkaufen. „Bei diesem Preispunkt werden die Chips Anwendungen für sich erschließen, für die FPGAs bislang zwar interessant, aber zu teuer waren.“

Nach eigenen Angaben erfüllt die GateMate-Familie alle Leistungsanforderungen, die typische Anwendungen an kleine bis mittelgroße FPGAs stellen. Demnach soll das programmierbare Silizium in Low-power- ebenso wie in Speed-Anwendungen einsetzbar sein – und damit in einer Vielzahl von Bereichen: Industrie, Automatisierung, Kommunikation, Sicherheit, Automotive, IoT, Lighting etc.

Einzel- oder Multi-Die-FPGAs mit nur einem Prozessmaskensatz

Wie ein typisches FPGA besteht auch GateMate aus einem „Gewebe“ (Fabric) von programmierbaren Logikblöcken, hier „Cologne Programmable Elements“ (CPEs) genannt. Diese CPEs sind über eine Routing-Struktur bestehend aus 132 × 164 sogenannter Switchboxen verbunden.

Besonders pfiffig hat Cologne Chip die Möglichkeit realisiert, mit nur einem Prozessmaskensatz unterschiedlich große FPGAs aus einem Wafer fertigen zu können (weitere Details im Interview mit Dr. Michel Gude). Je nach Variante stellen die Chips eine Logikkapazität von 40.000 bis hin zu mehr als 1 Mio. LUT-4-Äquivalente bereit. Hinzu kommen Funktionsblöcke wie JTAG- und SerDes-Schnittstellen, PLLs, GPIOs und 1280 kBit Dual-Ported SRAM.

Innovative Architektur mit „Cologne Programmable Elements“ (CPEs)

Die Architektur von Cologne Chip hebt sich von der Konkurrenz ab: Statt wie üblich 4 bis 6 besitzt ein CPE acht kombinatorische Eingänge mit einem „LUT-Tree“ (LUT: Look Up Table). Jeder CPE lässt sich für 2x 4 oder 1x 8 Eingänge konfigurieren und besitzt 2 route-bare Ausgänge. Über bis zu 6 Verbindungen können benachbarte CPEs Daten austauschen. Zwei Ein- und Ausgänge sind zudem für spezielle Funktionen vorgesehen, etwa das Anbinden von RAM. Jedes CPE lässt sich auch als zwei Volladdierer oder als 2x2-Bit-Multiplizierer konfigurieren.

Das Mehr an Verknüpfungsmöglichkeiten erhöhe die kombinatorische Leistung deutlich, sagt Gude. So gebe es keine Cluster von je 8 Elementen. Das sei von Vorteil, wenn man etwa 9 statt 8 Bit verwenden möchte: Ohne die sonst nötige Kaskadierung ist es einfacher, das Timing homogen zu halten.

Ein FPGA, drei dynamisch wechselbare Performance-Modi

Zudem seien Multiplizierer mit beliebiger Bitbreite der Faktoren implementierbar. Dadurch lassen sich sowohl DSP-Funktionen als auch Neuronale Netze für KI-Beschleuniger mit ganz unterschiedlicher Komplexität realisieren. „Die verwendbare Chipfläche wird so nicht durch ungenutzte Multiplizierer verringert“, sagt Gude.

Über drei unterschiedliche Core-Spannungen (0,9 V, 1,0 V und 1,1 V) realisiert Cologne Chip drei Performance-Modi. Je höher die Spannung, desto höher die maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit. der Schaltungen – allerdings auch die Stromaufnahme. Wohlgemerkt: Jeder Chip unterstützt diese Möglichkeit. Es gibt keine „Speedgrades“, also ausgesuchte (und meist teurere) Chip-Versionen, die sich etwa höher takten lassen. So ist es sogar möglich, die Betriebsart im laufenden Betrieb zu ändern.

Geringe Stromaufnahme auch beim Start

Trotz seiner großen Flexibilität kommt GateMate mit nur wenigen Konfigurationsbits aus. Entsprechend schnell seien die definierten Schaltungen über die mit bis zu 100 MHz getaktete Quad-SPI-Schnittstelle geladen, hebt der Cologne-Chip-Chef hervor: „Wir sprechen hier von Quasi-Instant-On“.

Auch auf Details hat das Cologne-Chip-Team geachtet: Laut Gude benötigt der Baustein keine überhöhten Anlaufströme beim Einschalten. Anders als viele Konkurrenzprodukte nehme GateMate beim Start und im Stand-by hingegen gleichbleibend etwa 10 mA auf. Dies reduziert die Anforderungen an die Stromversorgung erheblich, außerdem „sei damit der Einsatz in mobilen Endgeräten möglich“.

Zwei PCB-Lagen reichen für alle Signalleitungen aus

Die Architektur ist zudem so ausgelegt, dass nur zwei Lagen auf der Leiterplatte ausreichen, um sämtliche Signalleitungen aus dem Chip zu führen. Dies erleichtert das PCB-Design und hilft, Kosten zu vermeiden.

Cologne Chip gibt seinem jüngsten Spross umfangreiche Software-Tools mit auf den Weg. GateMate FPGAs werden von der EasyConvert- und Yosys-Software unterstützt, die die Übertragung bestehender FPGA-Designs ohne Neusynthese ermöglicht. Place-and-Route-Software-Maps portieren das Design in den GateMate-FPGA, und ein statischer Timing-Analysator liefert Informationen über kritische Pfade. Das Design kann mithilfe der ausgegebenen Verilog-Netzliste und der SDF-Timing-Extraktion simuliert werden.

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