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1、FPGA技术发展探究 一 绪言 自自19885年XXiliinx公公司推出出第一片片现场可可编程逻逻辑器件件(FPPGA)至至今,FFPGAA已经历历了十几几年的发发展历史史。在这这十几年年的发展展过程中中,以FFPGAA为代表表的数字字系统现现场集成成技术取取得了惊惊人的发发展:现现场可编编程逻辑辑器件从从最初的的12000个可可利用门门,发展展到900年代的的25万万个可利利用门,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、XXiliinx公公司又陆陆续推出出了数百百万门的的单片FFPGAA芯片,将将现场可可编程器器件的集集成度提提高到
2、一一个新的的水平。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、低低功耗、高高可靠性性等问题题,而且且其开发发周期短短、开发发软件投投入少、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,特特别是对对小批量量、多品品种的产产品需求求,使FFPGAA成为首首选。 目目前,FFPGAA的主要要发展动动向 是:随着大大规模现现场可编编程逻辑辑器件的的发展,系系统设计计进入片上可可编程系系统(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
3、际各大公公司都在在积极扩扩充其IIP库,以以优化的的资源更更好的满满足用户户的需求求,扩大大市场;特别是是引人注注目的所所谓FPPGA动动态可重重构技术术的开拓拓,将推推动数字字系统设设计观念念的巨大大转变。 二二 XXiliinx公公司研制制开发的的FPGGA系列列产品的的主要特特征 Xilinnx公司司自发明明FPGGA以来来,就不不断的推推出新器器件和开开发工具具,力求求芯片的的速度更更高、功功耗更低低。在其其新近开开发的产产品中,XXiliinx重重新定义义了未来来的可编编程逻辑辑,为用用户提供供2.55v,33.3vv和5vv可编程程逻辑系系列选择择,并利利用先进进的0.18-、0.
4、22-、0.25-、0.35uum工艺艺技术生生产出低低成本、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。VVirttex系系列突破破了传统统FPGGA密度度和性能能限制,使使 FPPGA不不仅仅是是逻辑模模块,而而成为一一种系统统元件(如如图一所所示)。 而SppanttanTTM系列列为替代代ASIIC的大大容量FFPGAA树立了了一个新新的低成成本标准准。图1 Viirteex系列列使FPPGA从从连接逻逻辑提升升至系统统的核心心部件 Viirteex 系系列FPPGA集集成了许许多满足足系统级级设计要要求的新新性能,
5、具具有独特特的结构构特点如如图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1.0mmm FinnePiitchhTMBBGA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,实实现5VV容差的的I/OO接口;借助于于优选的的时序驱驱动的布布局和布布线工具具,在4400MMHz的的PCPUU上,编编译速度度可达220万门门/秒。 图2 Viirteex系列列的内部部结构 VVir
6、ttex系系统的独独特结构构使它具具有以下下一些重重要性能能: 拥有四四重数字字化延时时锁定电电路(DDLL),用用于内外外时钟同同步;使使芯片到到芯片间间的通讯讯速度达达到2000MHHz;所所有器件件从时钟钟到输出出的延时时均小于于3nss;时钟钟可倍频频和分频频,可进进行000,9000,118000,27700相相移。 各种密密度产品品均设置置向量式式互连,使使布线快快速可预预测,与与内核配配合良好好。 Virrtexx支持33级存储储。它的的SellecttRAMM+存储储层为字字节级(分分布式存存储)、千千字节级级(块存存储)和和兆字节节级(与与外部DDRAMM和SRRAM的的SS
7、TTL3接接口)存存储块提提供很高高的频宽宽。 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66MHz/64比特PCI和Compact PCI。 在在推出VVirttex FPGGA之后后不到一一年,XXiliinx又又推出了了Virrtexx-E系系列产品品,其性性能和密密度可与与ASIIC匹敌敌。Viirteex-EE系列产产品的主主要特点点是:拥拥有 3320万万个系统统门;8832kk位的真真双端口口内部块块状RAAM;88个DLLL并支支持超过过20种种不同的的信号标标准,包包括LVVDS、BBus LVDDS以及及LVPPECLL;采用用0.
8、118umm工艺制制造,在在单个器器件上实实现了22.1亿亿个晶体体管的密密度。总总之,VVirttex和和Virrtexx-E 系列不不仅将FFPGAA性能推推向一个个新层面面,还解解决了向向系统集集成的挑挑战。 XXiliinx产产品的另另一个发发展方向向是实现现可编程程逻辑器器件在大大批量生生产中的的应用,所所以对成成本要求求更高。SSparrtann系列是是以XCC40000系列列结构为为基础,并并结合了了片上RRAM 、强大大的IPP库支持持和大容容量、低低价格的的特点,使使其可在在大批量量生产中中替代AASICC。 SSparrtann系列的的主要特特点是:系统门门数可达达40,0
9、000门;灵灵活的片片上存储储器,分分布式和和块存储储器;44个数字字延迟锁锁相环,有有效的芯芯片级/板级时时钟管理理;Seelecct II/O技技术保证证同所有有主要总总线标准准如HSSTL、GG TL、SSSTL等等的接口口;具有有功率管管理(睡睡眠模式式)。 三 Altteraa公司研研制开发发的FPPGA系系列产品品的主要要特征 AAlteera公公司自从从事FPPGA的的开发研研制以来来,不断断的进行行技术创创新,研研制开发发新产品品。该公公司的基基于CMMOS的的现场可可编程逻逻辑器件件同样具具有高速速、高密密度、低低功耗的的特点。近近期,AAlteera公公司主要要有四个个品种
10、系系列:胶胶合(ggluee)逻辑辑类的MMAX,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。 AAlteera 公司针针对通信信市场推推出的新新型低成成本器件件-AACEXX系列(以以前的名名称是AACE)。该该系列的的主要特特点为:密度范范围从11万到110万门门(566,0000到 2577,0000系统统门);配备锁锁相环(PPLL),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。 AAlteera公公司还对对FPGGA的结结构进行行优化,提提供更多
11、多的嵌入入式RAAM。新新近推出出的FLLEX 10KKE系列列器件是是以前的的FLEEX 10KK系列器器件的增增强型,该该系列在在结构上上采用了了与FLLEX 10KK系列相相同的逻逻辑块,但但片内嵌嵌入式RRAM是是FLEEX 10KK系列的的两倍,而而且增加加了一个个双端口口RAMM,这对对通信应应用来说说是一个个重要的的优势所所在。AAlteera公公司预计计该系列列器件可可用于666MHHZ的工工作频率率,密度度范围为为3万25万万门,能能够用于于66MMHZ的的PCII和通信信应用。 AAlteera 公司的的高密度度APEEX 220KEE系列器器件,其其主要特特点是:真正实实
12、现了的的低压差差信号(llow-volltagge ddifffereentiial siggnallingg, LLVDSS)通道道,并提提供8440兆比比特的数数据传输输率。在在APEEX 20KKE系列列中的锁锁相环(PPLL)可可以提供供多种LLVDSS。设计计者可以以在1,4,7和8数据传传输模式式中实现现LVDDS II/O标标准。AAPEXX 200KE LVDDS界面面如图33所示。 图3 AAPEXX 200KE LVDDS界面面 另另一方面面,随着着现场可可编程逻逻辑器件件越来越越高的集集成度,加加上对不不断出现现的I/O标准准、嵌入入功能、高高级时钟钟管理的的支持,使使得
13、设计计人员开开始利用用现场可可编程逻逻辑器件件来进行行系统级级的片上上设计。AAlteera公公司目前前正积极极倡导SSOPCC(Syysteem on a PProggrmmmablle CChipp,系统统可编程程芯片)。 片上可可编程系系统(SSOPCC)得到到迅速发发展,主主要有以以下几个个原因: 11 密密度在1100万万门以上上的现场场可编程程逻辑芯芯片已经经面市; 2 第4代代现场可可编程逻逻辑器件件的开发发工具已已经成形形,可对对数量更更多的门门电路进进行更快快速的分分析和编编译,并并可使多多名设计计人员以以项目组组的方式式同步工工作; 3 知识产产权(IIP)得得到重视视,越
14、来来越多的的设计人人员以设计重重用的的方式对对现有软软件代码码加以充充分利用用,从而而提高他他们的设设计效率率并缩短短上市时时间; 4 由于于连接延延迟时间间的缩短短,片上上可编程程系统(SSOPCC)能够够提供增增强的性性能,而而且由于于封装体体积的减减小,产产品尺寸寸也减少少了。 AAlteera公公司为了了实现SSOPCC的设计计,不仅仅研制开开发出新新器件,而而且还研研制出新新的开发发工具对对这些新新器件提提供支持持,并且且与新芯芯片及软软件相配配合的是是带知识识产权的的系统级级设计模模块解决决方案,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AAl
15、teera完完整的可可编程解解决SOOPC方方案- Exccaliiburr解决方方案,如如图4给给出了利利用这一一方案实实现SOOPC的的流程图图。 图4 简简化的SSOPCC设计流流程图四Acttel公公司研制制开发的的FPGGA系列列产品的的主要特特征 AActeel公司司 一直是世界界反熔丝丝技术FFPGAA的领先先供应商商,主要要有两大大系列的的反熔丝丝FPGGA产品品-SSX-AA 系列列和MXX高速系系列。SSX-AA系列FFPGAA的主要要特点是是功耗低低、在接接上了所所有内部部寄存器器之后,2200MMHZ运运行时的的功耗不不到1ww,而且且价格也也较为低低廉、并并拥有良良好
16、的性性能。 SXX -AA(0.22/0.225umm)和SSX (0.335umm) FPGGA系列列可以提提供122,0000到1108,0000个可用用门;664-bbit,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,不不需要逐逐步锁定定的循环环指令;可提供供2.55v,33.3vv和5vv的电压压。这就就使FPPGA能能够具有有一些以以前无法法实现的的功能,使使设计者者能够把把多个高高性能的的CPLLD压缩缩到一片片FPGGA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。 另另一方面
17、面,众所所周知采采用反熔熔丝技术术的FPPGA尽尽管具有有许多优优点,但但是却有有一个致致命的弱弱点,即即只能进进行一次次性编程程。这就就为大规规模FPPGA产产品的开开发带来来了许多多不便。为为了弥补补这一不不足,近近年来,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、可可重新编编程的门门阵列 -PrroASSIC FPGGAs。该该系列产产品集于于高密度度、低功功耗、非非易失性性和可重重新编程程于一身身。PrroASSIC FPGGAs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
18、有FIIFO控控制逻辑辑的两端端口SRRAM(容容量达到到1388,0000比特特);提提供大于于2000MHZZ的内部部时钟频频率;该该系列产产品的功功耗仅是是基于SSRAMM的FPPGA产产品的11/3到到1/22(如图图5所示示)。 图5 PrroASSIC与与SRAAM FFPGAA在相同同频率下下功耗的的比较 五五技术术发展分析析。 从从以上对对Xillinxx、Allterra和AActeel三家家公司各各自开发发产品特特征的介介绍,我我们可以以看出220000年以FFPGAA为代表表的数字字系统现现场集成成技术发发展的一一些新动动向,归归纳起来来有以下下几点: 深亚微微米技术术的
19、发展展正在推推动了片片上系统统(SOOPC)的的发展。越越来越多多的复杂杂IC需需要利用用SOPPC技术术来制造造。而SSOPCC要利用用深亚微微米技术术才能实实现。随随着深亚亚微米技技术的发发展,使使SOPPC的实实现成为为可能。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。 新新的SOOPC世世界要求求一种着着重于快快速投放放市场的的,具有有可重构构性、高高效自动动化的设设计方法法。这种种方法的的主要要要素是:1.系系统级设设计方法法;2.高级的的多处理理器和特特长指令令字(VVLIWW);33.应用用级映射射和编译译。但是
20、是,真正正推动SSOPCC设计的的将是系系统级设设计而不不是特定定的硬件件或软件件设计方方法(如如图6所所示)。系系统级设设计是把把一个应应用当作作一个并并行的通通信任务务系统的的设计。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 SOOPC设设计将被被系统级级设计而而不是被被特定的的硬件或或软件设设计方法法驱动 为为了实现现SOPPC,国国际上著著名的现现场可编编程逻辑辑器件的的厂商AAlteera公公司、XXili
21、inx公公司都为为此在努努力,开开发出适适于系统统集成的的新器件件和开发发工具,这这又进一一步促进进了SOOPC的的发展。 芯片片朝着高高密度、低低压、低低功耗的的方向挺挺进。采采用深亚亚微米的的半导体体工艺后后,器件件在性能能提高的的同时,价价格也在在逐步降降低。由由于便携携式应用用产品的的发展,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、AAlteera公公司的AAPEXX 200KE器器件、AACEX
22、X系列以以及Acctell公司的的SX系系列产品品都是向向高密度度、低压压、低功功耗发展展的典范范。不仅仅如此,更更有新型型的公司司以其特特色的技技术加入入低压、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。该该器件低低功耗的的关键是是采用了了Zerr o Powwer互互连阵列列,它用用一个由由外部逻逻辑实现现的CMMOS门门,代替替了其它它CPLLD常用用的
23、对电电流敏感感的运放放。这样样当其它它的相等等规模的的CPLLD需要要消耗2250mmA的静静电流时时,CooolRRunnner 9600的耗电电不到1100mmA。 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、可可保证正正确的功功能。设设计人员员可以利利用这些些现成的的IP库库资源,高高效准确确的完成成复杂片片上的系系统设计计。典型型的IPP核心库库有Xiilinnx公司司提供的的 LoggiCOO
24、RE和和AllliannceCCOREE。 (4)FFPGAA动态可可重构技技术意义义深远。随随着数字字逻辑系系统功能能复杂化化的需求求,单片片系统的的芯片正正朝着超超大规模模、高密密度的方方向发展展。与此此同时,人人们却发发现一个个有趣的的现象,即即一个超超大规模模的数字字时序系系统芯片片,在其其工作时时,从时时间轴上上来看,并并不是每每一瞬间间系统的的各个部部分都在在工作,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 SRAAM编程程的FPPGA可可以在外外部逻辑辑的控制制下,通通过存储储于存储储器中不不同的目目标系统统数据的的重新下下载,来来实现
25、芯芯片逻辑辑功能的的改变。正正是基于于这个称称之为静静态系统统重构的的技术,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,用用较小规规模的FFPGAA芯片来来实现更更大规模模的数字字时序系系统。在在研究过过程中,有有人尝试试了这种种设想,发发现常规规的SRRAM的的FPGGA只能能实现静静态系统统重构。这这是因为为该芯片片功能的的重新配配置大约约需要数数毫秒到到数十毫毫秒量级级的时间间;而在在重新配配置数据据的过程程中,旧旧的逻辑辑功能失失去,新新的逻辑辑功能尚尚未建立立,电路路逻辑在在时间轴轴上断裂裂,系统统功能无无法动态态连接。但但是,要要实现高高速的动动态重构构,要求求芯片功功能的重重新配置置时间缩缩短到纳纳秒量级级,这就就需要对对FPGGA的结结构进行行革新。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 结语。 综综上所述述,我们们可以看看到在新新世纪,以以FPGGA为代代表的数数字系统统现场集集成技术术正朝着着以下几几个方向向发展。随着便携式设备需求的增长,对现场可编程器件的低压、低功耗的要求日益迫切。芯片向大规模系统芯片挺进,力求在大规模应用中取代ASIC。为增强市场竞争力,各大厂商都在积极推广其知识产权IP库。动态可重构技术的发展,将带来系统设计方法的转变。
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