virterx技術白皮書

隨著Virtex系列在片上系統(tǒng)（SoC）應用中的廣泛應用,賽靈思（Xilinx）公司引入了平臺FPGA（Platform FPGA）的概念。作為領先的可編程邏輯供應商，賽靈思公司利用其基于Virtex的支持可編程邏輯、I/O和計算處理的多功能器件，幫助業(yè)界涉足并確立了基于FPGA的SoC設計方法。通過實現(xiàn)大量基于FPGA的RISC處理器和處理器內核，賽靈思在這方面已經(jīng)證實了自己的實力。最早的例子是于1991年實現(xiàn)Philip Freidin的RISC4005/R16 FPGA處理器。Virtex-II PRO™ 中的Power PC 硬處理器以及所有Virtex FPGA器件都支持的MicroBlaze軟處理器內核的推出終于使平臺FPGA概念完全成為現(xiàn)實。

由于平臺FPGA具有靈活的部件集成能力，集成了可編程I/O、功能全面的時鐘，同時顯著降低了總體設計成本，因此平臺FPGA迅速替代了大量ASIC SOC設計。此外，高性能RISC CPU、 內部RAM塊、千兆位高速串行I/O、專用DSP邏輯以及其它系統(tǒng)增強技術的發(fā)展，更進一步鞏固了平臺FPGA超越與之競爭的ASIC SoC器件這一趨勢。

架構優(yōu)勢

為使下一代Virtex-4系列具有全面的優(yōu)勢并且進一步大大降低其成本結構，賽靈思公司創(chuàng)造了嶄新的架構體系——先進的硅組合模塊（ASMBL）架構。作為第四代Virtex FPGA ( Virtex-4 )的基礎，ASMBL架構使得賽靈思公司能夠低成本高效率地發(fā)展多種平臺FPGA,而且每種平臺FPGA都具備不同的功能特性組合。Virtex-4結合了獨特的先進的架構優(yōu)點，使得平臺FPGA革命性的進入了新領域。ASMBL架構使得FPGA在歷史上第一次，可根據(jù)多種目標應用所需要的功能和/或成本進行多方面的應用優(yōu)化。

ASMBL這一革命性的平臺FPGA概念支持創(chuàng)建不同的功能平臺，不同的功能平臺中各種的基本功能的比例確定了針對的目標領域（domain）。在Virtex-4 FPGA系列中，最初推出的三個平臺主要針對四個應用領域，分別是邏輯領域、DSP領域、高速互連功能領域和嵌入式處理領域。每個平臺都有多款規(guī)模不同的器件，同一平臺中的器件具有大致相同的功能特性組合比例。根據(jù)目標應用的成本要求和功能要求，每種器件針對多個應用分類和子分類。器件與應用之間的這種對應關系，------ 意味著一個標準平臺器件可以滿足范圍廣泛的特定應用。

很明顯的是，業(yè)界非常需要具有優(yōu)化功能組合的多種平臺FPGA器件。然而，最終的器件并不一定是完全專用的。由于此類平臺FPGA器件可以優(yōu)化滿足大量不同應用的成本和功能特性組合要求，因此能靈活地適應多種應用。此外，采用先進的倒裝工藝封裝提供了明顯的電源和地分布優(yōu)勢，這對于90nm技術是非常重要的，同時此技術還大大改善了平臺器件的可編程布線能力。這也意味著平臺FPGA器件能夠以成本效率最高的方式最佳地滿足應用要求，而過去通常只有ASIC、ASSP或其他類似器件才能做到這一點。

“總體成本”優(yōu)勢

技術領先的ASIC和ASSP研發(fā)成本很高且設計時間漫長，這一特點迫使它們主要只能應用于經(jīng)過驗證的低風險特大批量應用。ASIC開發(fā)成本的迅速上漲更加突顯出在領先應用和高風險應用中使用功能越來越強大的平臺FPGA的優(yōu)勢。而這正是賽靈思在未來一代器件系列中所努力開拓的。賽靈思公司同時推出三個系列的平臺FPGA器件極大地增加了滿足特定價位點的應用需求時設計人員的選擇范圍和靈活性，而且肯定會加快平臺FPGA擴展到更多應用領域中的速度。

FPGA贏得初始設計的另一項不容易被注意到的方面是，預計的目標應用批量通常達不到值得將FPGA設計轉換為ASIC或標準單元技術的程度。FPGA零NRE成本所帶來的總體成本優(yōu)勢，使得FPGA 對比大批量ASIC或ASSP有優(yōu)勢的總成本批量交叉點進一步上移，從而使得情況前所未有地對FPGA更為有利。對于設計固定后需要更大批量產品的客戶來說，他們發(fā)現(xiàn)利用賽靈思 EasyPath計劃可以使器件成本在量產上進一步降低25%至75%。EasyPatch利用基于客戶設計的專門測試文件對器件進行測試。測試過程中僅測試和通過大批量設計文件中使用到器件資源、邏輯和互連資源。這樣就降低了測試時間，提高了產量，降低了交付給用戶的器件的總成本，并使得用戶可以毫無風險地過渡到成本更低的解決方案。

來自iSupply、Gartner Dataquest以及其它來源的業(yè)界新聞和報告都確認了這個趨勢，即隨著時間發(fā)展，新啟動的ASIC設計越來越少，而FPGA贏得的設計數(shù)量則越來越多。因此，隨著下一代平臺FPGA器件將更多的應用領域定義為目標應用，以及推出更多具革命性的FPGA平臺器件，下一代平臺FPGA器件將會越來越多的成為硬件芯片的首選，同時ASIC的新設計也會越來越少。

十年的迅速發(fā)展

在過去十年，賽靈思FPGA的功能呈指數(shù)式飛速提升，這也展示了Virtex-4系列所帶來的極大影響。器件容量提高了250多倍，時鐘頻率提高了25倍，而存儲器帶寬和I/O帶寬則分別提高了800多倍和1,000多倍。歸一化的器件成本（價格）降低了300多倍。與其它硅硬件解決方案相比，F(xiàn)PGA的普及程度越來越高也成為明顯的趨勢：DSP和RISC處理器供應商承認80%以上的板級設計都使用FPGA器件來提供必需的系統(tǒng)級設計靈活性。

開發(fā)ASMBL架構的主要目的就是要降低成本，Virtex-4系列體現(xiàn)了這一目的。不斷降低成本以及適用于更廣泛的應用是FPGA發(fā)展的明確趨勢。在成本方面，一個關鍵但又經(jīng)常被忽略的因素是實際使用FPGA器件資源的方式；沒有兩個人會以同樣方式使用技術、系統(tǒng)或軟件，通常人們所需要的內容也各不相同。這一事實表明可演化的硬件平臺，能夠支持個性化的大眾市場。Virtex-4進一步將可演化硬件的概念擴展為滿足標準產品成本限制的硬件平臺，即單個Virtex-4系列包括多種平臺FPGA。

ASMBL的條帶式設計模式

ASMBL架構最創(chuàng)新的地方是其器件設計效率，即首先設計出少量功能確定的90nm硅硬件列（比較困難的地方），然后再高效地重復利用它們（較簡單的任務）來創(chuàng)建出多種多樣的器件。賽靈思設計人員可以改變不同功能列的數(shù)量和比例來創(chuàng)建一個不同規(guī)模的FPGA器件平臺或者系列。根據(jù)應用所需要的功能屬性類型，每種（每個系列）器件最適合于特定類型的應用。特別需要指出的是，就象目前的平臺FPGA器件一樣，針對特定領域的FPGA系列器件并不是僅僅只能應用于特定的應用領域，因為器件本身內在的靈活性使其可適用于許多不同類型的應用。只不過開始開發(fā)時瞄準的是最初的應用領域而已。

Virtex-4：一個系列——多個平臺

賽靈思公司通過精心設計的專門流程來確定滿足特定客戶應用要求的優(yōu)化功能特性組合。這些組合定義了主要的處理架構類型并由此而確定出邏輯、DSP、高速互連以及嵌入式處理等幾個應用領域。Virtex-4的三個平臺所具備的基本功能特性比例可滿足這四個領域的需要。

所有Virtex-4平臺FPGA所共同擁有的是高度靈活的“可編程邏輯”以及其可編程互連資源和I/O結構。對于特定的平臺來說，獨特的地方在于這些邏輯資源如何與其它特殊功能如RAM, DSP blocks, and I/O配合使用。按照不同的比例組合，各種功能特性就可以創(chuàng)建出適合特定類型的通用處理任務的FPGA平臺。無論哪種類型的通用處理任務，實際上適用于相當廣泛的多種應用。Virtex-4系列所包括的其它增強功能還有新的DCM™ 數(shù)字時鐘管理功能塊和高速差分時鐘樹；新的同時更快的塊狀RAM可以被配置成FIFO；加強型PowerPC405內核帶有輔助處理器單元（APU）用于在CPU和邏輯資源間提供直接的接口；改進的源同步接口具備1 Gbps并行I/O 能力；串行收發(fā)器支持0.6-11.1 Mbps 速率范圍同時帶有靈活的DFE接收均衡器；以及用于最高性能數(shù)字信號處理的具有乘累加（MAC）運算功能的增強型XtremeDSP單元。各種系統(tǒng)特性都匹配到500MHz時鐘頻率，根除了系統(tǒng)設計中的瓶頸。

應用領域優(yōu)化的平臺FPGA

Virtex-4系列具有三個平臺：用于高性能和高密度邏輯綜合應用的LX平臺，用于高性能信號處理的SX平臺，用于全功能處理和SoC 嵌入式設計連接應用的FX平臺。根據(jù)應用的成本和性能要求，三個平臺中的任何一款器件都適用于數(shù)量眾多的應用。盡管Virtex-4平臺是針對特定領域或者特定應用分類而優(yōu)化，所有類型的器件都支持多種應用。

某一種應用或其計算處理架構可能適合采用一個特定的FPGA平臺，但這并不意味著該FPGA平臺總是最適合選擇。讓我們舉一個很好的例子，使用邏輯資源來實現(xiàn)一些算法看起來更適合采用面向邏輯領域（LX）的平臺器件，但同樣的算法也可以在面向DSP(SX)或面向系統(tǒng)(FX)的器件中實現(xiàn)。同樣，需要簡單控制處理器的應用并不一定非要采用系統(tǒng)領域型FPGA器件（FX）。在DSP型(SX)或邏輯型器件(LX)中實現(xiàn)一個軟處理器內核（如MicroBlaze），同樣可能滿足應用要求。

Virtex-4 LX——面向邏輯優(yōu)化的平臺

最通用的系列是Virtex-4 LX，即邏輯優(yōu)化的FPGA平臺系列。LX系列功能上與早期的Virtex-II器件類似，沒有較新的Virtex-II Pro™ 器件中所嵌入的PowerPC處理器或高速串行I/O。所有類型的軟IP內核都可在這一平臺的器件中實現(xiàn)，包括各種各樣的DSP模塊和軟件處理器內核，如MicroBlaze或PicoBlaze。該平臺的最主要優(yōu)點是使用了高度集成的通用邏輯單元，從而使其成為成本效率最高的邏輯平臺。

Virtex-4 LX平臺將包括多款從小規(guī)模至大規(guī)模的成員器件，從而使其可適用于多種應用。該系列的邏輯密度將會比目前FPGA器件提高一倍。在300mm晶圓上應用先進的90nm制造技術所帶來的成本優(yōu)勢，再加上采用成本效率高的器件封裝，將保證這一平臺獲得廣泛的接受。與前一代平臺FPGA相比更高的時鐘頻率和更低的功耗將使LX平臺更適用于做為替代ASIC的解決方案。

Virtex-4 SX——面向信號處理優(yōu)化的平臺

Virtex-4 SX信號處理/DSP平臺器件系列中提高了DSP以及RAM單元與邏輯單元的比例。功能模塊比例的改變使得這一FPGA平臺器件用于高速信號處理時比其它Virtex-4平臺占用的裸片面積更小。在此基礎上再結合新的DSP邏輯單元，使得可以在Virtex-4 SX平臺器件中實現(xiàn)最高性能DSP的同時，成本效率最高。

具備了顯著提高的DSP帶寬，與先前Virtex-II Pro器件相比又大大降低了功耗，使得Virtex-4 SX平臺提供了比其他任何器件都高的單位成本DSP性能。每個DSP邏輯單元可實現(xiàn)一個工作時鐘頻率達500 MHz的18bit X 18bit MAC。 Virtex-4 DSP專用增強特性包括增加新的工作模式和功能，再與SX平臺架構的其它優(yōu)化相結合，可支持功能更強大的高級DSP IP。

Virtex-4 FX——全功能平臺

Virtex-4 FX全功能平臺系列中提供了PowerPC和高速系列收發(fā)器。先進的架構、功能特性和制造工藝的結合使得處理器時鐘可高達450 MHz。再配合支持從600Mbps到11.1 Gbps 之間任何速度的高速串行收發(fā)器，F(xiàn)X系列成為功能極為強大的高性能平臺FPGA系列，可滿足嵌入式計算處理以及高速互連應用領域的要求。

FX平臺集成的高級系統(tǒng)特性對于電信、存儲和網(wǎng)絡領域以及其它需要高性能處理和大帶寬I/O的多種應用來說非常有用。根據(jù)系統(tǒng)行為，這些應用可以分為兩大領域。嵌入式計算處理領域主要以涉及復雜數(shù)據(jù)類型的控制流操作為特征。連接應用領域則涉及基于消息的計算處理，并且主要以異步數(shù)據(jù)流操作為主。Virtex-4全功能平臺器件最適合實現(xiàn)這兩個領域中的應用。

全面的系統(tǒng)互連功能平臺

整個Virtex-4系列具有多樣的可編程I/O能力組合，從而形成一個全面系統(tǒng)互連功能平臺。此外，賽靈思公司在制定新業(yè)界標準方面處于領導地位，比如創(chuàng)辦UXPI標準組織（參看www.uxpi.org）。Virtex-4互連功能平臺建立在Virtex-II Pro所獲得的突破性成功基礎之上。Virtex-II Pro成功實現(xiàn)了高級電信計算架構（ATCA或AdvancedTCA™）以及PCI Express高級交換（AS）標準。

Virtex-4 FX特別適用于必須使用最新的高速串行背板技術，成本效率要求又很高的高端應用。成熟的黑箱式IP、功能極強大的Virtex-4 FX平臺以及積極參與大量標準團體的工作，使得賽靈思公司在為業(yè)界確立新I/O標準方面扮演了一個重要角色。比如，賽靈思公司成功地在基于Virtex的開發(fā)平臺上結合了AdvancedTCA™、電信級Linux以及PCI Express AS，并且在支持全網(wǎng)狀交換解決方案的開發(fā)方面扮演了重要角色。賽靈思公司的eSP網(wǎng)絡門戶展示了最新的Virtex互連功能平臺，可以為業(yè)界最先進的I/O技術提供關鍵支持。

具有應用適應性的領先IC技術

業(yè)界對成本效率更高及具有更強應用適應性器件的需求，促使賽靈思公司一次推出了三個不同的Virtex-4平臺。新推出的Virtex-4平臺FPGA在功能和價值方面都達到了最大化。用戶可以利用Virtex-4平臺FPGA實現(xiàn)范圍廣泛的軟IP和多種處理器內核。

客戶反饋表明用戶已經(jīng)能夠更智能、更高效地使用FPGA可編程構造來完成不同的協(xié)處理功能，包括在現(xiàn)場修改性能或功能要求的適應能力。Virtex-4系列所提供的這樣一種靈活硬件平臺的普遍吸引力將會極大地擴展FPGA的應用范圍，使FPGA可應用于更為廣泛的系統(tǒng)設計中。

Virtex-4平臺所提供的這種對應用處理類型的控制或選擇能力是設計人員從來沒有擁有過的。在實現(xiàn)范圍廣泛的計算處理功能時，也提供了無與倫比的巨大靈活性—— 可以在PowerPC中、在協(xié)處理器中實現(xiàn)任何計算處理功能組合，或者直接在硬件中實現(xiàn)所需要的算法。通過根據(jù)性能需求，合理的將控制和數(shù)據(jù)功能進行劃分，可以打破控制和數(shù)據(jù)平面間的傳統(tǒng)界限。

利用多個Virtex-4平臺，創(chuàng)建針對特定應用領域而優(yōu)化的應用子系統(tǒng)的能力，提供了獨特的靈活性，這也為FPGA確立了更高的標準。硬件和軟件同時可編程的FPGA器件能夠比ASIC或ASSP更靈活地實現(xiàn)所需要的設計。

改變設計架構研究和設計流程

傳統(tǒng)上比較固定的系統(tǒng)設計和ASIC設計流程也將會隨著功能越來越強大的平臺FPGA器件的推出而被改變。Virtex-4 FPGA的價值定位非常明確，即以最低的成本提供最強大的功能。此外，這些器件以及相關的工具對硬件平臺開發(fā)流程亦造成重大的影響?，F(xiàn)在，設計人員可以在開發(fā)流程中的任何時間重新考慮、修改或增強系統(tǒng)架構，因此他們擁有了可以滿足應用要求的終極工具組合。對于存在新興或競爭標準的情況，這一靈活性變得極為重要。同樣的能力還可以用來對硬件進行現(xiàn)場修改或增強以滿足新的要求，或者避免昂貴的硬件升級。憑借支持硬件和/或軟件升級的任何組合，因此Virtex-4系列提供了最高的現(xiàn)場靈活性。

設計流程中的所有階段都可從Virtex FPGA所提供的增強組合配置能力中受益。這一功能是FPGA所獨有的，允許在設計中的任何地方插入總線或邏輯分析儀。盡管通常在最終發(fā)售的產品中都會將這一功能去掉，但如果需要解決復雜的客戶問題或者需要進一步增強性能的話，那么仍然需要這一能力。

工藝技術領導地位

做為第一家無晶圓生產線半導體企業(yè)，賽靈思公司于2003年初即推出基于先進的90nm工藝技術的產品樣品，充分展示了其在制造工藝技術方面的領先地位。做為300mm (12英寸)晶圓技術的早期采用者，賽靈思公司利用這一先進技術制造的器件已經(jīng)銷售出了300多萬片，因此在硅晶圓制造方面積累了豐富的經(jīng)驗。Virtex-4系列同時采用了90nm工藝技術和300mm晶圓，從而具有明顯的成本優(yōu)勢。

與以前的幾代Virtex-II FPGA相比，同時采用90nm制造工藝技術和300mm晶圓使得單個晶圓的Virtex-4裸片產量達到原來的5倍。單個晶圓裸片產量的提升以及Virtex-4的架構性集成優(yōu)勢大大降低了整體成本。

ASMBL架構的另一個重要特點是可有效地利用11層金屬層，從而增強了在條帶狀模塊上的芯片布線能力。增強的布線能力以及分布式I/O結構也是目前以及未來Virtex-4平臺的關鍵特點之一。

結論

新推出的革命性Virtex-4 FPGA將加快FPGA技術應用于更多特定領域應用的速度。設計人員或設計小組不僅可選擇理想的平臺，還可選擇合適規(guī)模的器件來最好地實現(xiàn)所需要的功能。Virtex-4系列的目標是在更好滿足現(xiàn)有FPGA客戶需要的同時支持FPGA用于多種新領域。由于只需要學習一種成本更低的工具集、一種設計方法和架構性特性組合，這還為設計人員帶來更多好處。最為重要的是，下一代Virtex-4以最低的成本提供了更高的性能。Virtex-4系列的多個平臺將在邏輯密度、DSP和處理性能以及I/O帶寬等所有方面領先于所有FPGA。