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FPGA的進(jìn)步鋪平了通向真正的SoC解決方案之路

作者: 時(shí)間:2009-05-14 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

全定制數(shù)字ASIC的前景開始出現(xiàn)陰影?,F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列()正在接管許多一度被認(rèn)為是全定制芯片專屬領(lǐng)域的應(yīng)用。自從在約二十年前出現(xiàn)以來,它已經(jīng)通過將門數(shù)提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)而侵占了ASIC的主導(dǎo)地位。此外,還已經(jīng)增加了高速I/O、嵌入式內(nèi)存、專用鎖相環(huán)(PLL)、以及嵌入式處理器(在一些型號(hào)上)。利用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原因是市場(chǎng)上存在著大量以IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))形式呈現(xiàn)的預(yù)設(shè)計(jì)好電路模塊,設(shè)計(jì)工程師可以取得使用許可證并將其集成到他們自己的系統(tǒng)中。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/192051.htm

到目前為止,F(xiàn)PGA還沒有打入要求模擬功能的系統(tǒng)?;旌闲盘?hào)ASIC繼續(xù)統(tǒng)治著這一領(lǐng)域,盡管隨著Actel的Fusion系列混合信號(hào)FPGA的出現(xiàn),這種狀況可能很快就會(huì)發(fā)生改變。這些基于閃存的可編程系統(tǒng)芯片(PSC)除了提供可編程邏輯交換結(jié)構(gòu)和非易失性閃存之外,還提供了模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、模擬輸入、MOSFET驅(qū)動(dòng)器、電壓參考和其他模擬功能。

其他公司則采用將可編程模擬功能與少量可編程邏輯組合在一起的。例如,Cypress Microsystems公司提供了P可編程系統(tǒng)級(jí)芯片()系列,其后Lattice半導(dǎo)體公司又推出了ispPAC Power Manager II系列。

Actel Fusion PSC的門數(shù)從最小器件的9萬(wàn)門到最大器件的1500萬(wàn)門。除了基于閃存的交換結(jié)構(gòu)配置內(nèi)存之外,這些芯片還集成了從256 kB到1 MB的用戶可編程閃存。此外,為確保數(shù)據(jù)的完整性,閃存包含了單比特糾錯(cuò)和雙比特錯(cuò)誤檢測(cè)功能。



在一些型號(hào)的FPGA中還增加了高速I/O、嵌入式內(nèi)存、專用鎖相環(huán)(PLL)以及嵌入式處理器。

集成的ADC可以被配置成8位、10位或12位,其內(nèi)部參考電壓則可提供穩(wěn)定的2.56 V輸出。它還提供高達(dá)30個(gè)可擴(kuò)展模擬輸入通道,用作溫度、電壓或電流傳感的輸入。多虧了閃存所需的高壓工藝,設(shè)計(jì)工程師可利用這一技術(shù)來支持預(yù)擴(kuò)展的模擬輸入通道,使之可處理高達(dá)±12 V的高電壓直接連接。

Fusion PSC借助其轉(zhuǎn)換器和模擬輸入引腳、以及10個(gè)獨(dú)立的MOSFET門驅(qū)動(dòng)器輸出,可以執(zhí)行許多電源管理和系統(tǒng)管理任務(wù)(例如風(fēng)扇控制),否則這些任務(wù)需要采用多個(gè)外部模擬或混合信號(hào)電路。支持高達(dá)每秒60萬(wàn)次采樣的ADC具有小于1 LSB的差分非線性。

為了控制轉(zhuǎn)換器和其他系統(tǒng)功能,如8051或ARM的軟CPU可以在邏輯交換結(jié)構(gòu)中進(jìn)行配置。對(duì)于功率敏感的應(yīng)用,PSC提供了超低功耗休眠和待機(jī)模式。

數(shù)字技術(shù)引領(lǐng)FPGA發(fā)展

當(dāng)今的數(shù)字FPGA主要向兩個(gè)方向發(fā)展以更好地滿足系統(tǒng)要求:高密度/高性能應(yīng)用和中等密度/成本敏感型應(yīng)用。在要求最高性能的高端領(lǐng)域,基于SRAM的FPGA采用90nm設(shè)計(jì)工藝以提供可與許多ASIC相媲美的性能。

現(xiàn)在Altera Stratix II 系列和Xilinx Virtex II Pro以及Virtex 4系列中最大的器件集成了近500萬(wàn)門和高達(dá)9 Mbits的SRAM。許多這些芯片也集成了I/O緩沖器、支持每秒幾千兆比特?cái)?shù)據(jù)傳輸速率的串行器/解串器端口、專用乘加器(MAC)模塊、以及用于時(shí)鐘分配的多個(gè)PLL。

而它不會(huì)止步于此。FPGA供應(yīng)商已經(jīng)在著手開發(fā)用下一代65nm工藝實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)很可能將現(xiàn)有的門數(shù)再提高一倍,集成更多的嵌入式內(nèi)存和專用DSP、甚至更高速的I/O緩沖器。
為了加快DSP算法和其他乘法密集型應(yīng)用的計(jì)算速度,現(xiàn)在許多FPGA嵌入了專用MAC模塊。這些MAC模塊集中起來能夠提供每秒數(shù)百的GMAC計(jì)算能力。

最大的Stratix II芯片含有384個(gè)雙9×9位乘法器,每一個(gè)乘法器都能在高達(dá)450 MHz的頻率下工作(768個(gè)9位乘法器可以在高達(dá)450 MHz的工作頻率下提供346 GMAC處理能力)。這些乘法器也可以被配置為18×18位乘法器,共可提供173 GMAC的處理能力。

Xilinx Virtex 4 SX55 FPGA集成了512個(gè)專用18位乘法器,當(dāng)時(shí)鐘頻率為500 MHz時(shí),可提供總共256 GMAC的處理能力。當(dāng)其下一代65nm產(chǎn)品推出時(shí),其性能很可能將繼續(xù)得到提高。

在FPGA上提供的高速I/O緩沖器可以處理3.125 Gbps數(shù)據(jù)速率,以實(shí)現(xiàn)目前的XAUI、 SPI-4.2和Fibre Channel接口。它甚至可實(shí)現(xiàn)Altera的Stratix IIGX系列產(chǎn)品所帶的更高速的I/O緩沖器,它可提供高達(dá)6 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外,Xilinx Virtex 4系列中的幾款產(chǎn)品集成了幾個(gè)基于Xilin的Rocket I/O技術(shù)的10 Gbps端口。

當(dāng)然,如此高的性能也使得它們的售價(jià)不菲。每家公司產(chǎn)品系列中的最大門數(shù)器件在中等訂購(gòu)量時(shí)通常售價(jià)達(dá)數(shù)千美元。這樣的價(jià)格通常使這些高容量/高性能芯片僅用于建立系統(tǒng)原型、可配置計(jì)算加速器和ASIC仿真系統(tǒng)。

如果配置模式能夠被固定下來,那么將FPGA轉(zhuǎn)換為ASIC或結(jié)構(gòu)化ASIC也許是一種經(jīng)濟(jì)可行的替代。Altera 提供了 Hard-Copy結(jié)構(gòu)化ASIC選擇。幾家ASIC供應(yīng)商也提供了對(duì)Altera和Xilinx FPGA引腳兼容的替代品。

Xilinx提供了被稱為 EasyPath的一種不同方法,它仍使用FPGA,但實(shí)現(xiàn)了一種能夠利用FPGA上一些非工作門或I/O的方案。軟件可以映射邏輯以旁路FPGA上不能正常工作的部分,從而允許公司使用一些否則就有可能被廢棄的芯片。這一改善的芯片良率使Xilinx可以大幅降低的價(jià)格出售芯片。

緊盯批量市場(chǎng)

150萬(wàn)門左右的FPGA產(chǎn)品不管是設(shè)計(jì)還是定價(jià)都針對(duì)批量應(yīng)用(如消費(fèi)電子產(chǎn)品、平板顯示器、HDTV和許多其他市場(chǎng)生命周期很短的系統(tǒng))(圖2)。實(shí)例包括Xilinx的Spartan 3E 系列、Altera的Cyclone II系列、Lattice Semiconducto的EC和ECP系列、 Actel的 ProASIC 3系列和QuickLogic的Eclipse II系列。

最近,幾家FPGA供應(yīng)商已經(jīng)開始全力開發(fā)低待機(jī)功耗的產(chǎn)品,以使得這些FPGA可以被用于便攜式系統(tǒng)。以QuickLogic最近推出的PolarPro系列為例。在低功率待機(jī)模式下,這些器件消耗的電流只有10微安,大約是其他具有低待機(jī)電流FPGA的十分之一。它的工作功耗也很適中,只有15 mA。PolarPro系列也可提供1百萬(wàn)門和202 kbits RAM的型號(hào)。



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