适用于消费性市场的nano FPGA技术

作者：爱特公司亚太区高级工程师及处理器专家温仲尧 　日期：2009-9

摘要

尽管相较于传统的ASIC和ASSP方案，FPGA具备可编程与快速上市的优点，但是传统SRAM-based FPGA技术却由于占位空间大与功耗高等缺点，使其无法在大批量的消费性市场，甚至便携产品中，得到广泛的采用。面对此一问题，flash-based FPGA技术提供了最佳的解决方式。本文将从功耗、大小、供货时间、价格等各层面，介绍Actel的nano FPGA技术所具备的优势。此外，亦会说明，以此技术为基础的FPGA所具备的独特Flash*Freeze技术，以及其他包括单芯片、通电即用、安全性等各项特性。这些优势都将使FPGA也成为大量消费性市场的理想选择，例如LCD控制、储存、以及人机界面等。

前言

传统上，大批量消费性电子产品都是采用特定应用标准产品(ASSP)或特定应用集成电路(ASIC)来进行设计。这两种设计技术的优点包括拥有固定的功能性，并可针对特定应用进行优化设计。然而，在竞争激烈、变化快速的市场中，此两种技术却有非常难以克服的缺点。

首先，由于电子产品的生命周期越来越短，昂贵的NRE费用不一定能够回收。同时，许多系统需要在日后进行升级或改版，但传统定制的集成电路不能因应这样的需求。因此，制造商必须重新思索采用不同的设计方式，不只是着眼于产品设计，而是要符合整个产品生命周期的需求。

要在现今高度竞争的大批量市场中胜出，制造商必须能够快速响应市场需求。为了缩短产品上市时程，设计团队需要更有效率的设计方式，以满足快速设计、建立原型、缩短组件供货时间、以及未来可轻松进行升级的多重目标。
在这样的需求下，可编程逻辑数组(FPGA)便成为一个可行的选项。FPGA的历史可回溯至80年代，然而一直到近来受惠于设计与工艺技术的进步，FPGA才开始有应用到大批量消费性市场的可能。

一般来说，FPGA具备可程序与快速上市的优点，设计人员仅需要对其内建的逻辑数组进行编程，就可得到所需的功能特性，而不需要像开发一颗ASIC 一样，需要长时间的电路设计。而且当内建FPGA的产品已经上市后，仍拥有修改更新功能的弹性，不像ASIC一样，因为功能已经固定，不能再进行变更。但是，FPGA还是一些缺点。尤其是，目前市场上大部分的FPGA都是采用SRAM-based技术，这使其有占位空间大与功耗高等缺点，因此传统FPGA 无法在大批量的消费性市场，甚至便携式产品中，得到广泛的采用。但是Actel以闪存为基础的flash-based技术，却完全不同！

Actel的nano FPGA技术

Actel致力于开发高功能性、低功耗的flash-based FPGA技术，并在以下5个领域都获得了显著的提升：功耗、尺寸、供货周期、温度、与价格。

Actel 的nano FPGA组件包括IGLOO nano和ProASIC3 nano两个产品线，拥有与ASIC相近的功耗水平，它的开启电流突波非常低，而且在移转(transition)过程中也没有高电流产生，这都是传统 SRAM-based FPGA组件常有的现象。

以图1来看，具1万个系统闸的IGLOO nano FPGA，其功耗仅有2μW，较其他FPGA产品功耗低15～25倍。这些组件支持1.2V～1.5V核心电压与I/O操作，以及超低电压的Flash*Frezze模式。



图1：Actel的IGLOO nano FPGA功耗较其他产品低15~25倍

此外，IGLOO nano FPGA的大小只有3x3mm，是目前市场上封装尺寸最小的可程序逻辑组件，再配合其低功耗特性，非常适合用在对功耗敏感、且空间位置有限的便携式装置中。

而在供货时间方面，Actel可针对所有密度的组件提供0周的供货时间，这对大量应用来说是非常重要的。至于操作温度，Actel延伸了IGLOO nano FPGA的操作温度至-20℃～+70℃，因为现在许多便携式应用都必须曾在摄氏零下的环境下操作。此外，nanoFPGA亦拥有价格优势，50多款组件的价格都低于1美元，而ProASIC3 nano的价格低至0.49美元。

Flash-based FPGA技术优势

利用先进flash-based、130nm LVCMOS工艺技术，Actel的flash-based FPGA拥有非挥发性、可重复编程(reprogrammability)等许多优点。

FlashxFreeze技术

FlashxFreeze 是IGLOO FPGA所提供的独特技术，它可以让组件进入和退出超低电压的FlashxFreeze模式。无需外部组件，就可以关闭I/O或频率，并同时还能保留设计信息、SRAM、以及缓存器内容。与SRAM-based FPGA不同，IGLOO组件内部可保留立即恢复运作(1μs内)所需的所有信息。其I/O单元可以个别设定为保留先前的状态，或是其他模式。 FlashxFreeze技术可与系统内的可编程性结合，让设计人员能够在制造的最后阶段或甚至出货后，快速且轻松地进行升级。

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