FPGA技术发展解析.docx

FPGAA技术发发展探究究 一一 绪绪言 自19985年年Xillinxx公司推推出第一一片现场场可编程程逻辑器器件（FFPGAA）至今今，FPPGA已已经历了了十几年年的发展展历史。在这十十几年的的发展过过程中，以FPPGA为为代表的的数字系系统现场场集成技技术取得得了惊人人的发展展：现场场可编程程逻辑器器件从最最初的112000个可利利用门，发展到到90年年代的225万个个可利用用门，乃乃至当新新世纪来来临之即即，国际际上现场场可编程程逻辑器器件的著著名厂商商Altteraa公司、Xillinxx公司又又陆续推推出了数数百万门门的单片片FPGGA芯片片，将现现场可编编程器件件的集成成度提高高到一个个新的水水平。纵纵观现场场可编程程逻辑器器件的发发展历史史，其之之所以具具有巨大大的市场场吸引力力，根本本在于：FPGGA不仅仅可以解解决电子子系统小小型化、低功耗耗、高可可靠性等等问题，而且其其开发周周期短、开发软软件投入入少、芯芯片价格格不断降降低，促促使FPPGA越越来越多多地取代代了ASSIC的的市场，特别是是对小批批量、多多品种的的产品需需求，使使FPGGA成为为首选。 目前，FPGGA的主主要发展展动向 是：随着着大规模模现场可可编程逻逻辑器件件的发展展，系统统设计进进入"片片上可编编程系统统"（SSOPCC）的新新纪元；芯片朝朝着高密密度、低低压、低低功耗方方向挺进进；国际际各大公公司都在在积极扩扩充其IIP库，以优化化的资源源更好的的满足用用户的需需求，扩扩大市场场；特别别是引人人注目的的所谓FFPGAA动态可可重构技技术的开开拓，将将推动数数字系统统设计观观念的巨巨大转变变。 二 Xillinxx公司研研制开发发的FPPGA系系列产品品的主要要特征 Xiliinx公公司自发发明FPPGA以以来，就就不断的的推出新新器件和和开发工工具，力力求芯片片的速度度更高、功耗更更低。在在其新近近开发的的产品中中，Xiilinnx重新新定义了了未来的的可编程程逻辑，为用户户提供22.5vv，3.3v和和5v可可编程逻逻辑系列列选择，并利用用先进的的0.118-、0.222-、0.225-、0.335umm工艺技技术生产产出低成成本、高高性能的的可编程程逻辑产产品。主主要推出出了Viirteex系列列和SppanttanTTM系列列的FPPGA。Virrtexx系列突突破了传传统FPPGA密密度和性性能限制制，使 FPGGA不仅仅仅是逻逻辑模块块，而成成为一种种系统元元件（如如图一所所示）。 而SSpanntannTM系系列为替替代ASSIC的的大容量量FPGGA树立立了一个个新的低低成本标标准。图1 VVirttex系系列使FFPGAA从连接接逻辑提提升至系系统的核核心部件件       VVirttex 系列FFPGAA集成了了许多满满足系统统级设计计要求的的新性能能，具有有独特的的结构特特点如图图2。整整个Viirteex系列列由九种种器件组组成，系系统门数数从5万万到1000万门门（1,7288到277,6448个逻逻辑单元元）；提提供给用用户的II/O引引脚数最最多超过过5000个；采采用多种种封装形形式，包包括先进进的1.0mmmFinnePiitchhTMBBGA和和0.88mm芯芯片封装装；采用用5层金金属的00.222微米CCMOSS工艺，实现55V容差差的I/O接口口；借助助于优选选的时序序驱动的的布局和和布线工工具，在在4000MHzz的PCPUU上，编编译速度度可达220万门门/秒。 图2 VVirttex系系列的内内部结构构        Virrtexx系统的的独特结结构使它它具有以以下一些些重要性性能：         拥有四四重数字字化延时时锁定电电路（DDLL），用于于内外时时钟同步步；使芯芯片到芯芯片间的的通讯速速度达到到2000MHzz；所有有器件从从时钟到到输出的的延时均均小于33ns；时钟可可倍频和和分频，可进行行00，9000，18800，27000相移移。         各种密密度产品品均设置置向量式式互连，使布线线快速可可预测，与内核核配合良良好。         Virrtexx支持33级存储储。它的的SellecttRAMM+存储储层为字字节级（分布式式存储）、千字字节级（块存储储）和兆兆字节级级（与外外部DRRAM和和SRAAM的SSSTLL3接口口）存储储块提供供很高的的频宽。         采用SSeleectII/OTTM技术术，同时时支持多多种电压压和信号号标准。        兼容666MHHz/664比特特PCII和Coompaact PCII。 在推出出Virrtexx FPPGA之之后不到到一年，Xillinxx又推出出了Viirteex-EE系列产产品，其其性能和和密度可可与ASSIC匹匹敌。VVirttex-E系列列产品的的主要特特点是：拥有 3200万个系系统门；8322k位的的真双端端口内部部块状RRAM；8个DDLL并并支持超超过200种不同同的信号号标准，包括LLVDSS、Buus LLVDSS以及LLVPEECL；采用00.188um工工艺制造造，在单单个器件件上实现现了2.1亿个个晶体管管的密度度。总之之，Viirteex和VVirttex-E 系系列不仅仅将FPPGA性性能推向向一个新新层面，还解决决了向系系统集成成的挑战战。 Xillinxx产品的的另一个个发展方方向是实实现可编编程逻辑辑器件在在大批量量生产中中的应用用，所以以对成本本要求更更高。SSparrtann系列是是以XCC40000系列列结构为为基础，并结合合了片上上RAMM 、强强大的IIP库支支持和大大容量、低价格格的特点点，使其其可在大大批量生生产中替替代ASSIC。 Spaartaan系列列的主要要特点是是：系统统门数可可达400,0000门；灵活的的片上存存储器，分布式式和块存存储器；4个数数字延迟迟锁相环环，有效效的芯片片级/板板级时钟钟管理；Sellectt I/O技术术保证同同所有主主要总线线标准如如HSTTL、GG TL、SSSTLL等的接接口；具具有功率率管理（睡眠模模式）。       三 Allterra公司司研制开开发的FFPGAA系列产产品的主主要特征征        Altteraa公司自自从事FFPGAA的开发发研制以以来，不不断的进进行技术术创新，研制开开发新产产品。该该公司的的基于CCMOSS的现场场可编程程逻辑器器件同样样具有高高速、高高密度、低功耗耗的特点点。近期期，Allterra公司司主要有有四个品品种系列列：胶合合（gllue）逻辑类类的MAAX，低低价位的的ACEEX系列列、高速速FLEEX系列列、高密密度的AAPEXX系列。        Altteraa 公司司针对通通信市场场推出的的新型低低成本器器件-ACEEX系列列（以前前的名称称是ACCE）。该系列列的主要要特点为为：密度度范围从从1万到到10万万门（556,0000到到2577,0000系统统门）；配备锁锁相环（PLLL），与与64位位、666MHZZ的PCCI兼容容；产品品系列从从原1.8v扩扩展至22.5vv；提供供系统速速度超过过1155MHZZ 的高高性能。        Altteraa公司还还对FPPGA的的结构进进行优化化，提供供更多的的嵌入式式RAMM。新近近推出的的FLEEX 110KEE系列器器件是以以前的FFLEXX10KK系列器器件的增增强型，该系列列在结构构上采用用了与FFLEXX 100K系列列相同的的逻辑块块，但片片内嵌入入式RAAM是FFLEXX10KK系列的的两倍，而且增增加了一一个双端端口RAAM，这这对通信信应用来来说是一一个重要要的优势势所在。Altteraa公司预预计该系系列器件件可用于于66MMHZ的的工作频频率，密密度范围围为3万万255万门，能够用用于666MHZZ的PCCI和通通信应用用。        Altteraa 公司司的高密密度APPEX 20KKE系列列器件，其主要要特点是是：真正正实现了了的低压压差信号号（loow-vvolttagee diiffeerenntiaalsiignaalinng, LVDDS）通通道，并并提供8840兆兆比特的的数据传传输率。在APPEX220KEE系列中中的锁相相环（PPLL）可以提提供多种种LVDDS。设设计者可可以在11×，4×，7×和8×数据传传输模式式中实现现LVDDS II/O标标准。AAPEXX 200KELLVDSS界面如如图3所所示。   图3 APEEX 220KEE LVVDS界界面        另一方方面，随随着现场场可编程程逻辑器器件越来来越高的的集成度度，加上上对不断断出现的的I/OO标准、嵌入功功能、高高级时钟钟管理的的支持，使得设设计人员员开始利利用现场场可编程程逻辑器器件来进进行系统统级的片片上设计计。Allterra公司司目前正正积极倡倡导SOOPC（Sysstemmon a PProggrmmmablle CChipp，系统统可编程程芯片）。        "片上上可编程程系统""（SOOPC）得到迅迅速发展展，主要要有以下下几个原原因：        1 密度在在1000万门以以上的现现场可编编程逻辑辑芯片已已经面市市；         22第44代现场场可编程程逻辑器器件的开开发工具具已经成成形，可可对数量量更多的的门电路路进行更更快速的的分析和和编译，并可使使多名设设计人员员以项目目组的方方式同步步工作；         3知知识产权权（IPP）得到到重视，越来越越多的设设计人员员以"设设计重用用"的方方式对现现有软件件代码加加以充分分利用，从而提提高他们们的设计计效率并并缩短上上市时间间；       44 由由于连接接延迟时时间的缩缩短，片片上可编编程系统统（SOOPC）能够提提供增强强的性能能，而且且由于封封装体积积的减小小，产品品尺寸也也减少了了。        Altteraa公司为为了实现现SOPPC的设设计，不不仅研制制开发出出新器件件，而且且还研制制出新的的开发工工具对这这些新器器件提供供支持，并且与与新芯片片及软件件相配合合的是带带知识产产权的系系统级设设计模块块解决方方案，它它们的参参数可由由用户自自己定义义。芯片片、软件件及知识识产权功功能集构构成了AAlteera完完整的可可编程解解决SOOPC方方案-Exxcallibuur解决决方案，如图44给出了了利用这这一方案案实现SSOPCC的流程程图。 图4 简化的的SOPPC设计计流程图图四Acctell公司研研制开发发的FPPGA系系列产品品的主要要特征 Acttel公公司 一直是世世界反熔熔丝技术术FPGGA的领领先供应应商，主主要有两两大系列列的反熔熔丝FPPGA产产品-SX-A 系系列和MMX高速速系列。SX-A系列列FPGGA的主主要特点点是功耗耗低、在在接上了了所有内内部寄存存器之后后，2000MHHZ运行行时的功功耗不到到1w，而且价价格也较较为低廉廉、并拥拥有良好好的性能能。        SSX -A（00.222/0.25uum）和和SX (0.35uum)FFPGAA系列可可以提供供12,0000到1008,0000个个可用门门；644-biit，666MHHZ的PPCI；3300MHZZ的内部部时钟频频率，44ns的的时钟延延迟，它它的输入入设置时时间小于于0.66ns，不需要要逐步锁锁定的循循环指令令；可提提供2.5v，3.33v和55v的电电压。这这就使FFPGAA能够具具有一些些以前无无法实现现的功能能，使设设计者能能够把多多个高性性能的CCPLDD压缩到到一片FFPGAA中，大大大降低低了功耗耗，节省省了电路路板空间间，减少少了费用用。        另一方方面，众众所周知知采用反反熔丝技技术的FFPGAA尽管具具有许多多优点，但是却却有一个个致命的的弱点，即只能能进行一一次性编编程。这这就为大大规模FFPGAA产品的的开发带带来了许许多不便便。为了了弥补这这一不足足，近年年来，AAlteel公司司也在积积极开发发其它结结构类型型的FPPGA产产品。最最具代表表的是其其新近推推出了一一种非易易失性、可重新新编程的的门阵列列-PrroASSIC FPGGAs。该系列列产品集集于高密密度、低低功耗、非易失失性和可可重新编编程于一一身。PProAASICCFPGGAs的的主要特特点是：提供998,0000到到1100,0000个可可用门；内嵌拥拥有FIIFO控控制逻辑辑的两端端口SRRAM（容量达达到1338,0000比比特）；提供大大于2000MHHZ的内内部时钟钟频率；该系列列产品的的功耗仅仅是基于于SRAAM的FFPGAA产品的的1/33到1/2（如如图5所所示）。图5 PProAASICC与SRRAM FPGGA在相相同频率率下功耗耗的比较较        五技技术发展展分析。        从以上上对Xiilinnx、AAlteera和和Acttel三三家公司司各自开开发产品品特征的的介绍，我们可可以看出出20000年以以FPGGA为代代表的数数字系统统现场集集成技术术发展的的一些新新动向，归纳起起来有以以下几点点：       深亚微微米技术术的发展展正在推推动了片片上系统统（SOOPC）的发展展。越来来越多的的复杂IIC需要要利用SSOPCC技术来来制造。而SOOPC要要利用深深亚微米米技术才才能实现现。随着着深亚微微米技术术的发展展，使SSOPCC的实现现成为可可能。与与以往的的芯片设设计不同同，SOOPC需需要对设设计ICC和在产产品中实实现的方方法进行行根本的的重新评评价。        新的SSOPCC世界要要求一种种着重于于快速投投放市场场的，具具有可重重构性、高效自自动化的的设计方方法。这这种方法法的主要要要素是是：1.系统级级设计方方法；22.高级级的多处处理器和和特长指指令字（VLIIW）；3.应应用级映映射和编编译。但但是，真真正推动动SOPPC设计计的将是是系统级级设计而而不是特特定的硬硬件或软软件设计计方法（如图66所示）。系统统级设计计是把一一个应用用当作一一个并行行的通信信任务系系统的设设计。着着重点放放在设计计活动的的并行性性以及在在整个应应用中利利用高度度并发的的、平行行的特性性。在SSOPCC领域中中所要求求的关键键技术是是在这些些平台上上把一个个应用的的系统级级描述转转化成一一个高效效率的实实现。图6 SSOPCC设计将将被系统统级设计计而不是是被特定定的硬件件或软件件设计方方法驱动动 为了实实现SOOPC，国际上上著名的的现场可可编程逻逻辑器件件的厂商商Altteraa公司、Xillinxx公司都都为此在在努力，开发出出适于系系统集成成的新器器件和开开发工具具，这又又进一步步促进了了SOPPC的发发展。 芯片片朝着高高密度、低压、低功耗耗的方向向挺进。采用深深亚微米米的半导导体工艺艺后，器器件在性性能提高高的同时时，价格格也在逐逐步降低低。由于于便携式式应用产产品的发发展，对对现场可可编程器器件的低低压、低低功耗的的要求日日益迫切切。因此此，无论论那个厂厂家、哪哪种类型型的产品品，都在在瞄准这这个方向向而努力力。例如如在前面面所提到到的Xiilinnx公司司的SppanttanTTM系列列的FPPGA、Altteraa公司的的APEEX 220KEE器件、ACEEX系列列以及AActeel公司司的SXX系列产产品都是是向高密密度、低低压、低低功耗发发展的典典范。不不仅如此此，更有有新型的的公司以以其特色色的技术术加入低低压、低低功耗芯芯片的竞竞争。典典型的如如Phiilipps SSemiiconnducctorrs推出出的 CCoollRunnnerr 9660，是是一种具具有9660个宏宏单元的的CPLLD，无无论在何何种应用用中，都都能提供供标准的的6nss传输延延迟、工工作于33v的电电压下。该器件件低功耗耗的关键键是采用用了Zeer o Poowerr互连阵阵列，它它用一个个由外部部逻辑实实现的CCMOSS门，代代替了其其它CPPLD常常用的对对电流敏敏感的运运放。这这样当其其它的相相等规模模的CPPLD需需要消耗耗2500mA的的静电流流时，CCoollRunnnerr 9660的耗耗电不到到1000mA。      IP库库的发展展及其作作用。为为了更好好的满足足设计人人员的需需要，扩扩大市场场，各大大现场可可编程逻逻辑器件件的厂商商都在不不断的扩扩充其知知识产权权（IPP）核心心库。这这些核心心库都是是预定义义的、经经过测试试和验证证的、优优化的、可保证证正确的的功能。设计人人员可以以利用这这些现成成的IPP库资源源，高效效准确的的完成复复杂片上上的系统统设计。典型的的IP核核心库有有Xillinxx公司提提供的LLogiiCORRE和AAlliiancceCOORE。        (4)FPGGA动态态可重构构技术意意义深远远。随着着数字逻逻辑系统统功能复复杂化的的需求，单片系系统的芯芯片正朝朝着超大大规模、高密度度的方向向发展。与此同同时，人人们却发发现一个个有趣的的现象，即一个个超大规规模的数数字时序序系统芯芯片，在在其工作作时，从从时间轴轴上来看看，并不不是每一一瞬间系系统的各各个部分分都在工工作，而而系统是是各个局局部模块块功能在在时间链链上的总总成。同同时，人人们还发发现，基基于SRRAM编编程的FFPGAA可以在在外部逻逻辑的控控制下，通过存存储于存存储器中中不同的的目标系系统数据据的重新新下载，来实现现芯片逻逻辑功能能的改变变。正是是基于这这个称之之为静态态系统重重构的技技术，有有人设想想，能不不能利用用芯片的的这种分分时复用用特性，用较小小规模的的FPGGA芯片片来实现现更大规规模的数数字时序序系统。在研究究过程中中，有人人尝试了了这种设设想，发发现常规规的SRRAM的的FPGGA只能能实现静静态系统统重构。这是因因为该芯芯片功能能的重新新配置大大约需要要数毫秒秒到数十十毫秒量量级的时时间；而而在重新新配置数数据的过过程中，旧的逻逻辑功能能失去，新的逻逻辑功能能尚未建建立，电电路逻辑辑在时间间轴上断断裂，系系统功能能无法动动态连接接。但是是，要实实现高速速的动态态重构，要求芯芯片功能能的重新新配置时时间缩短短到纳秒秒量级，这就需需要对FFPGAA的结构构进行革革新。可可以预见见，一旦旦实现了了FPGGA的动动态重构构，则将将引发数数字系统统的设计计的思想想的巨大大转变。       六六 结结语。        综上所所述，我我们可以以看到在在新世纪纪，以FFPGAA为代表表的数字字系统现现场集成成技术正正朝着以以下几个个方向发发展。随着便便携式设设备需求求的增长长，对现现场可编编程器件件的低压压、低功功耗的要要求日益益迫切。芯片向向大规模模系统芯芯片挺进进，力求求在大规规模应用用中取代代ASIIC。为增强强市场竞竞争力，各大厂厂商都在在积极推推广其知知识产权权IP库库。动态可可重构技技术的发发展，将将带来系系统设计计方法的的转变。