2020年FPGA技术发展探究

1、（发展战略）FPGA 技术发展探究FPGA 技术发展探究壹绪言自 1985 年 XilinxXX 公司推出第壹片现场可编程逻辑器件（FPGA ）至今， FPGA 已经历了十几年的发展历史。于这十几年的发展过程中，以FPGA 为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1200 个可利用门， 发展到 90 年代的 25 万个可利用门，乃至当新世纪来临之即，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商AlteraXX 公司、 XilinxXX 公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA 芯片，将现场可编程器件的集成度提高到壹个新的水平。 纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有

2、巨大的市场吸引力，根本于于： FPGA 不仅能够解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA 越来越多地取代了ASIC 的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA 成为首选。目前， FPGA 的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入" 片上可编程系统" （ SOPC ）的新纪元； 芯片朝着高密度、 低压、低功耗方向挺进； 国际各大 XX 公司均于积极扩充其 IP 库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场；特别是引人注目的所谓FPGA 动态可重构技术的开拓，将推动数字系统

3、设计观念的巨大转变。二 XilinxXX公司研制开发的FPGA 系列产品的主要特征XilinxXX公司自发明FPGA 以来，就不断的推出新器件和开发工具，力求芯片的速度更高、功耗更低。 于其新近开发的产品中，Xilinx 重新定义了未来的可编程逻辑，为用户提供2.5v ，3.3v 和 5v 可编程逻辑系列选择，且利用先进的0.18- 、0.22- 、0.25- 、0.35um工艺技术生产出低成本、高性能的可编程逻辑产品。主要推出了Virtex系列和SpantanTM系列的FPGA 。 Virtex系列突破了传统FPGA 密度和性能限制，使FPGA 不仅仅是逻辑模块，而成为壹种系统元件 （如图壹

4、所示） 。而 SpantanTM系列为替代ASIC 的大容量FPGA 树立了壹个新的低成本标准。图 1Virtex系列使 FPGA 从连接逻辑提升至系统的核心部件Virtex系列 FPGA 集成了许多满足系统级设计要求的新性能，具有独特的结构特点如图2 。整个 Virtex系列由九种器件组成，系统门数从5 万到 100 万门（ 1,728 到 27,648个逻辑单元）；提供给用户的I/O引脚数最多超过500个；采用多种封装形式，包括先进的1.0mmFinePitchTMBGA和 0.8mm芯片封装； 采用 5 层金属的0.22 微米 CMOS 工艺，实现 5V 容差的 I/O 接口；借助于优选

5、的时序驱动的布局和布线工具，于 400MHz的 P CPU上，编译速度可达20 万门/秒。图 2Virtex 系列的内部结构Virtex系统的独特结构使它具有以下壹些重要性能：拥有四重数字化延时锁定电路（DLL ），用于内外时钟同步；使芯片到芯片间的通讯速度达到 200MHz ；所有器件从时钟到输出的延时均小于3ns ；时钟可倍频和分频，可进行00 ，900 ， 1800 ， 2700 相移。各种密度产品均设置向量式互连，使布线快速可预测，和内核配合良好。Virtex支持 3 级存储。它的SelectRAM+存储层为字节级（分布式存储）、千字节级（块存储）和兆字节级（和外部DRAM和 SRAM

6、 的 SSTL3 接口）存储块提供很高的频宽。采用 SelectI/OTM技术，同时支持多种电压和信号标准。兼容 66MHz/64比特 PCI 和 CompactPCI。于推出 VirtexFPGA之后不到壹年，Xilinx又推出了 Virtex-E系列产品，其性能和密度可和ASIC 匹敌。 Virtex-E系列产品的主要特点是：拥有 320 万个系统门； 832k位的真双端口内部块状RAM ； 8 个 DLL 且支持超过20 种不同的信号标准，包括LVDS 、 BusLVDS以及LVPECL；采用0.18um工艺制造， 于单个器件上实现了2.1 亿个晶体管的密度。总之，Virtex和Virt

7、ex-E系列不仅将FPGA性能推向壹个新层面，仍解决了向系统集成的挑战。Xilinx产品的另壹个发展方向是实现可编程逻辑器件于大批量生产中的应用，所以对成本要求更高。Spartan系列是以XC4000系列结构为基础，且结合了片上RAM、强大的IP库支持和大容量、低价格的特点，使其可于大批量生产中替代ASIC 。Spartan系列的主要特点是：系统门数可达40,000门；灵活的片上存储器，分布式和块存储器；4 个数字延迟锁相环，有效的芯片级/ 板级时钟管理；SelectI/O技术保证同所有主要总线标准如HSTL 、 GTL、 SSTL 等的接口；具有功率管理（睡眠模式）。三 AlteraXX公司

8、研制开发的FPGA 系列产品的主要特征AlteraXX公司自从事FPGA 的开发研制以来，不断的进行技术创新，研制开发新产品。该XX 公司的基于 CMOS 的现场可编程逻辑器件同样具有高速、高密度、低功耗的特点。 近期，AlteraXX 公司主要有四个品种系列：胶合（glue ）逻辑类的 MAX ，低价位的 ACEX 系列、高速 FLEX 系列、高密度的APEX 系列。AlteraXX 公司针对通信市场推出的新型低成本器件-ACEX 系列（以前的名称是ACE ）。该系列的主要特点为：密度范围从1万到 10万门（56,000到 257,000 系统门） ；配备锁相环（ PLL），和64 位、 6

9、6MHZ的 PCI 兼容；产品系列从原1.8v扩展至 2.5v ；提供系统速度超过 115MHZ的高性能。AlteraXX 公司仍对 FPGA 的结构进行优化， 提供更多的嵌入式RAM 。新近推出的 FLEX10KE系列器件是以前的 FLEX10K 系列器件的增强型，该系列于结构上采用了和FLEX10K 系列相同的逻辑块，但片内嵌入式RAM 是 FLEX10K 系列的俩倍，而且增加了壹个双端口RAM ，这对通信应用来说是壹个重要的优势所于。AlteraXX 公司预计该系列器件可用于66MHZ的工作频率，密度范围为3 万 25万门，能够用于66MHZ的 PCI 和通信应用。AlteraXX公司的

10、高密度APEX20KE系列器件，其主要特点是：真正实现了的低压差信号（ low-voltagedifferentialsignaling,LVDS）通道，且提供840兆比特的数据传输率。于APEX20KE 系列中的锁相环（PLL）能够提供多种LVDS 。设计者能够于1 ×，4 ×，7 ×和 8×数据传输模式中实现LVDSI/O标准。 APEX20KELVDS界面如图3 所示。图 3APEX20KELVDS 界面另壹方面，随着现场可编程逻辑器件越来越高的集成度，加上对不断出现的I/O 标准、嵌入功能、高级时钟管理的支持，使得设计人员开始利用现场可编程逻辑器

11、件来进行系统级的片上设计。 AlteraXX公司目前正积极倡导SOPC（SystemonaProgrmmableChip，系统可编程芯片）。" 片上可编程系统 "（ SOPC ）得到迅速发展，主要有以下几个原因：1 密度于100 万门之上的现场可编程逻辑芯片已经面市；2 第 4 代现场可编程逻辑器件的开发工具已经成形，可对数量更多的门电路进行更快速的分析和编译，且可使多名设计人员以项目组的方式同步工作；3 知识产权（ IP）得到重视，越来越多的设计人员以" 设计重用 " 的方式对现有软件代码加以充分利用，从而提高他们的设计效率且缩短上市时间；4 由于连接

12、延迟时间的缩短，片上可编程系统（SOPC ）能够提供增强的性能，而且由于封装体积的减小，产品尺寸也减少了。AlteraXX公司为了实现SOPC 的设计，不仅研制开发出新器件，而且仍研制出新的开发工具对这些新器件提供支持，且且和新芯片及软件相配合的是带知识产权的系统级设计模块解决方案， 它们的参数可由用户自己定义。芯片、 软件及知识产权功能集构成了Altera完整的可编程解决SOPC 方案 -Excalibur解决方案， 如图 4 给出了利用这壹方案实现SOPC 的流程图。图 4 简化的 SOPC 设计流程图四 ActelXX公司研制开发的FPGA 系列产品的主要特征ActelXX公司壹直是世界

13、反熔丝技术FPGA 的领先供应商，主要有俩大系列的反熔丝FPGA 产品 -SX-A系列和 MX 高速系列。 SX-A 系列 FPGA 的主要特点是功耗低、于接上了所有内部寄存器之后， 200MHZ运行时的功耗不到1w ，而且价格也较为低廉、且拥有良好的性能。SX-A （0.22/0.25um）和 SX(0.35um)FPGA系列能够提供 12,000 到 108,000 个可用门；64-bit ，66MHZ 的 PCI ； 330MHZ的内部时钟频率，4ns 的时钟延迟，它的输入设置时间小于 0.6ns ，不需要逐步锁定的循环指令；可提供2.5v ， 3.3v 和 5v 的电压。这就使 FPG

14、A能够具有壹些以前无法实现的功能，使设计者能够把多个高性能的CPLD 压缩到壹片 FPGA中，大大降低了功耗，节省了电路板空间，减少了费用。另壹方面， 众所周知采用反熔丝技术的FPGA 尽管具有许多优点， 可是却有壹个致命的弱点，即只能进行壹次性编程。这就为大规模FPGA 产品的开发带来了许多不便。为了弥补这壹不足，近年来， AltelXX公司也于积极开发其它结构类型的FPGA 产品。最具代表的是其新近推出了壹种非易失性、可重新编程的门阵列 -ProASICFPGAs 。该系列产品集于高密度、 低功耗、非易失性和可重新编程于壹身。ProASICFPGAs 的主要特点是： 提供 98,000 到

15、 110,000个可用门；内嵌拥有FIFO 控制逻辑的俩端口SRAM （容量达到138,000 比特）；提供大于200MHZ的内部时钟频率；该系列产品的功耗仅是基于SRAM的 FPGA 产品的 1/3 到 1/2（如图 5所示）。图 5ProASIC和 SRAMFPGA于相同频率下功耗的比较五技术发展分析。从之上对Xilinx 、Altera和 Actel三家 XX 公司各自开发产品特征的介绍，我们能够见出2000年以 FPGA 为代表的数字系统现场集成技术发展的壹些新动向，归纳起来有以下几点：深亚微米技术的发展正于推动了片上系统（SOPC ）的发展。越来越多的复杂IC 需要利用SOPC 技术

16、来制造。而SOPC 要利用深亚微米技术才能实现。随着深亚微米技术的发展，使SOPC 的实现成为可能。和以往的芯片设计不同，SOPC 需要对设计IC 和于产品中实现的方法进行根本的重新评价。新的 SOPC 世界要求壹种着重于快速投放市场的，具有可重构性、高效自动化的设计方法。这种方法的主要要素是：1.系统级设计方法；2.高级的多处理器和特长指令字（VLIW ）； 3.应用级映射和编译。可是，真正推动SOPC 设计的将是系统级设计而不是特定的硬件或软件设计方法（如图 6 所示）。系统级设计是把壹个应用当作壹个且行的通信任务系统的设计。着重点放于设计活动的且行性以及于整个应用中利用高度且发的、平行的

17、特性。于SOPC 领域中所要求的关键技术是于这些平台上把壹个应用的系统级描述转化成壹个高效率的实现。图 6SOPC 设计将被系统级设计而不是被特定的硬件或软件设计方法驱动为了实现 SOPC ，国际上著名的现场可编程逻辑器件的厂商AlteraXX 公司、 XilinxXX 公司均为此于努力， 开发出适于系统集成的新器件和开发工具，这又进壹步促进了SOPC 的发展。芯片朝着高密度、低压、低功耗的方向挺进。采用深亚微米的半导体工艺后，器件于性能提高的同时，价格也于逐步降低。由于便携式应用产品的发展，对现场可编程器件的低压、低功耗的要求日益迫切。因此， 无论那个厂家、 哪种类型的产品， 均于瞄准这个方

18、向而努力。例如于前面所提到的XilinxXX 公司的 SpantanTM系列的 FPGA 、 AlteraXX 公司的APEX20KE 器件、 ACEX 系列以及 ActelXX公司的 SX 系列产品均是向高密度、低压、低功耗发展的典范。不仅如此，更有新型的XX公司以其特色的技术加入低压、低功耗芯片的竞争。典型的如PhilipsSemiconductors推出的 CoolRunner960，是壹种具有960 个宏单元的 CPLD ，无论于何种应用中，均能提供标准的6ns 传输延迟、工作于3v 的电压下。该器件低功耗的关键是采用了ZeroPower互连阵列， 它用壹个由外部逻辑实现的CMOS 门

19、，代替了其它CPLD 常用的对电流敏感的运放。这样当其它的相等规模的CPLD 需要消耗 250mA的静电流时， CoolRunner960的耗电不到100mA 。 IP 库的发展及其作用。为了更好的满足设计人员的需要，扩大市场，各大现场可编程逻辑器件的厂商均于不断的扩充其知识产权（IP ）核心库。这些核心库均是预定义的、经过测试和验证的、 优化的、可保证正确的功能。设计人员能够利用这些现成的IP 库资源， 高效准确的完成复杂片上的系统设计。典型的IP 核心库有XilinxXX公司提供的LogiCORE和AllianceCORE。(4)FPGA 动态可重构技术意义深远。随着数字逻辑系统功能复杂化的需求，单片系统的芯片正朝着超大规模、高密度的方