基于FPGA的芯片設(shè)計及其應(yīng)用

過去，半導體行業(yè)一直關(guān)注的兩個目標是縮小體積和提高速率。近 40年來，對這些目標的追求促使行業(yè)發(fā)展符合摩爾定律，性能和電路密度每18個月翻倍。導致技術(shù)高速發(fā)展，蘊育了計算機革命、互聯(lián)網(wǎng)革命以及現(xiàn)在的無線通信革命。但同時也為此付出了代價。一種代價是物理上的。工藝技術(shù)上的每一次進步都使得芯片晶體管的“關(guān)斷”電流增加，也就是待機功耗在增加。另一代價是金錢。每一工藝節(jié)點的開發(fā)成本呈指數(shù)增加。

　　在芯片設(shè)計中FPGA的優(yōu)勢是節(jié)約成本

　　65nm和后續(xù)工藝節(jié)點上需要考慮的是合理的資金分配，而ASIC設(shè)計方法成本高，預(yù)期收益回報較低。設(shè)計人員應(yīng)認真考慮使用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。這些器件解決了當今設(shè)計人員面臨的功耗問題，有較好的ROI。

　　FPGA設(shè)計的研發(fā)成本要比ASIC低幾個數(shù)量級，開發(fā)人員設(shè)計FPGA時，不用面對數(shù)百萬美元的模板成本，不需要在晶體管級單元布局布線上的高級專業(yè)技能，也不需要昂貴的自動設(shè)計工具和工藝庫。

　　FPGA的可編程能力還避免了今后大量的研發(fā)開支。在產(chǎn)品生命周期中，如果需要在已有設(shè)計中加入新功能，對FPGA重新進行編程便可以簡單地實現(xiàn)功能改進。而對ASIC設(shè)計進行微小的改動也需要在新模板上投入大量人力物力。

　　認識到可編程優(yōu)點的開發(fā)人員可能會考慮基于處理器的ASIC設(shè)計方法。在這一方面，F(xiàn)PGA同樣具有優(yōu)勢?？删幊踢壿嬙趯崿F(xiàn)功能上效率要比軟件高得多，和基于處理器的設(shè)計相比，不但降低了功耗，而且提高了任務(wù)執(zhí)行速度。在基于處理器的設(shè)計中，F(xiàn)GPA的確經(jīng)常被用作硬件加速器。

　　各種客戶群大量采用FPGA，使FPGA的產(chǎn)效在消費類設(shè)計上和大批量ASIC水平相當。量產(chǎn)也使得FPGA供應(yīng)商有足夠的收益來切實投入研發(fā)。結(jié)果， FPGA在體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計和工藝上是目前最先進的技術(shù)，足以和最好的ASIC進行競爭。而且，研發(fā)上的投入也保證了FPGA成為功能更強大、質(zhì)量更好的可靠器件。

　　對量產(chǎn)的預(yù)測已經(jīng)得到證實。在過去幾年中，F(xiàn)PGA的收益超出了半導體市場的總體水平，而且有加速發(fā)展的趨勢，原因在于芯片技術(shù)的復(fù)雜度越來越高，業(yè)界大量應(yīng)用降低了對產(chǎn)品量產(chǎn)的預(yù)期。所有因素都對FPGA更加有利，而非ASIC。

　　隨著半導體技術(shù)在65nm上的突破，人們越來越關(guān)心功耗和開發(fā)成本問題。使用這些技術(shù)的芯片物理設(shè)計遇到了更多的挑戰(zhàn)，ASIC設(shè)計方法實現(xiàn)起來更加困難。設(shè)計人員轉(zhuǎn)向基于FPGA的設(shè)計后，能夠從芯片物理設(shè)計難題中抽身而出，讓FPGA公司去解決這些問題，把精力集中在應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計的核心能力以及價值定位上。

　　基于FPGA的芯片設(shè)計方法

　　1、基于FPGA的電路設(shè)計流程如下：邏輯設(shè)計—網(wǎng)表設(shè)計—FPGA的初始布局—自動布局—自動布線—產(chǎn)生加載FPGA的配置位圖。

　　2、基于FPGA的芯片設(shè)計的設(shè)計方法：

　　(1) 選擇適當型號的芯片，以提高性能和價格比。

　　(2) 邏輯設(shè)計中盡可能采用適合于FPGA特性的電路，充分、高效、合理地利用FPGA資源。由于門陣列芯片固有的特點，即資源的數(shù)量及種類固定，因此在電路設(shè)計中應(yīng)采用相應(yīng)的對策，以便揚長避短，充分發(fā)揮FPGA芯片的功效，基于以上考慮，以下兩點顯得尤為必要。一點是充分利用單元庫中提供的宏單元，另一點是盡可能地減少邏輯設(shè)計中的線網(wǎng)長度和數(shù)量，這里所說的線網(wǎng)長度，指的是該線網(wǎng)所連接的邏輯單元的數(shù)量的總和。

　　(3) 精心布局，以提高整個系統(tǒng)的性能。

　　(4) 手工調(diào)整布線，充分利用長線資源，確保設(shè)計出的芯片滿足設(shè)計需求。與自動布局一樣，自動布線系統(tǒng)布出的線業(yè)經(jīng)常存在著明顯的不合理，對布線進行人工干預(yù)也是十分必要的。

　　(5) 運用自動布局布線工具、布出具有同樣功能的多塊芯片。

　　XILINX基于FPGA的芯片設(shè)計整體解決方案

　　通過縮短開發(fā)產(chǎn)品和將它們推向市場所需的時間，Xilinx 可編程邏輯解決方案能夠幫助電子設(shè)備制造商將風險降至最低水平。

　　您能夠以比傳統(tǒng)方法（如掩模編程的、固定邏輯門陣列）快得多的速度設(shè)計和驗證 Xilinx 可編程器件中獨特的電路。并且，因為 Xilinx 器件是只需要進行編程的標準產(chǎn)品，所以您無需等待原型，也無需支付大量的非經(jīng)常性工程（NRE）成本。

　　解決方案的軟件部分對于每個設(shè)計項目的成功而言都是至關(guān)重要的。Xilinx 軟件解決方案提供了功能強大的工具，從而能夠簡化利用可編程邏輯進行設(shè)計的步驟。按鈕設(shè)計流程、集成式在線幫助、多媒體輔導資料和高性能自動與自動交互式工具能夠幫您獲得最佳結(jié)果。并且，業(yè)界最廣泛的可編程邏輯技術(shù)和 EDA 集成選項可以提供無可比擬的設(shè)計靈活性。

　　領(lǐng)先的芯片產(chǎn)品、先進的軟件解決方案和世界級的技術(shù)支持造就了 Xilinx 解決方案。

　　專題闡述

　　本專題首先介紹了FPGA在芯片設(shè)計領(lǐng)域的優(yōu)勢及這其中的一些關(guān)鍵技術(shù)，在舉例說明了它的應(yīng)用特點之后，以XILINX在芯片設(shè)計領(lǐng)域的重點產(chǎn)品和整體解決方案做為收尾，使讀者從基礎(chǔ)理論知識到具體的應(yīng)用實踐都有清晰的了解，同時也對基于FPGA 的芯片設(shè)計過程的認識更加融會貫通。