FPGA技术发展探究

一． 绪言

自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA已经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门，发展到90年代的25万个可利用门，乃至当新世纪来临之即，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。

目前，FPGA的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入"片上可编程系统"（SOPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场；特别是引人注目的所谓FPGA动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观念的巨大转变。

二． Xilinx公司研制开发的FPGA系列产品的主要特征

Xilinx公司自发明FPGA以来，就不断的推出新器件和开发工具，力求芯片的速度更高、功耗更低。在其新近开发的产品中，Xilinx重新定义了未来的可编程逻辑，为用户提供2.5v，3.3v和5v可编程逻辑系列选择，并利用先进的0.18-、0.22-、0.25-、0.35um工艺技术生产出低成本、高性能的可编程逻辑产品。主要推出了Virtex系列和SpantanTM系列的FPGA。Virtex系列突破了传统FPGA密度和性能限制，使 FPGA不仅仅是逻辑模块，而成为一种系统元件（如图一所示）。 而SpantanTM系列为替代ASIC的大容量FPGA树立了一个新的低成本标准。


  
图1 Virtex系列使FPGA从连接逻辑提升至系统的核心部件

Virtex 系列FPGA集成了许多满足系统级设计要求的新性能，具有独特的结构特点如图2。整个Virtex系列由九种器件组成，系统门数从5万到100万门（1,728到27,648个逻辑单元）；提供给用户的I/O引脚数最多超过500个；采用多种封装形式，包括先进的1.0mm FinePitchTMBGA和0.8mm芯片封装；采用5层金属的0.22微米CMOS工艺，实现5V容差的I/O接口；借助于优选的时序驱动的布局和布线工具，在400MHz的PⅡCPU上，编译速度可达20万门/秒。


  
图2 Virtex系列的内部结构

Virtex系统的独特结构使它具有以下一些重要性能：
●拥有四重数字化延时锁定电路（DLL），用于内外时钟同步；使芯片到芯片间的通讯速度达到200MHz；所有器件从时钟到输出的延时均小于3ns；时钟可倍频和分频，可进行00，900，1800，2700相移。
●各种密度产品均设置向量式互连，使布线快速可预测，与内核配合良好。
●Virtex支持3级存储。它的SelectRAM+存储层为字节级（分布式存储）、千字节级（块存储）和兆字节级（与外部DRAM和SRAM的SSTL3接口）存储块提供很高的频宽。
●采用SelectI/OTM技术，同时支持多种电压和信号标准。
●兼容66MHz/64比特PCI和Compact PCI。  

在推出Virtex FPGA之后不到一年，Xilinx又推出了Virtex-E系列产品，其性能和密度可与ASIC匹敌。Virtex-E系列产品的主要特点是：拥有 320万个系统门；832k位的真双端口内部块状RAM；8个DLL并支持超过20种不同的信号标准，包括LVDS、Bus LVDS以及LVPECL；采用0.18um工艺制造，在单个器件上实现了2.1亿个晶体管的密度。总之，Virtex和Virtex-E 系列不仅将FPGA性能推向一个新层面，还解决了向系统集成的挑战。   

Xilinx产品的另一个发展方向是实现可编程逻辑器件在大批量生产中的应用，所以对成本要求更高。Spartan系列是以XC4000系列结构为基础，并结合了片上RAM 、强大的IP库支持和大容量、低价格的特点，使其可在大批量生产中替代ASIC。

Spartan系列的主要特点是：系统门数可达40,000门；灵活的片上存储器，分布式和块存储器；4个数字延迟锁相环，有效的芯片级/板级时钟管理；Select I/O技术保证同所有主要总线标准如HSTL、GTL、SSTL等的接口；具有功率管理（睡眠模式）。

三． Altera公司研制开发的FPGA系列产品的主要特征

Altera公司自从事FPGA的开发研制以来，不断的进行技术创新，研制开发新产品。该公司的基于CMOS的现场可编程逻辑器件同样具有高速、高密度、低功耗的特点。近期，Altera公司主要有四个品种系列：胶合（glue）逻辑类的MAX，低价位的ACEX系列、高速FLEX系列、高密度的APEX 系列。

Altera 公司针对通信市场推出的新型低成本器件--ACEX系列（以前的名称是ACE）。该系列的主要特点为：密度范围从1万到10万门（56,000到 257,000系统门）；配备锁相环（PLL），与64位、66MHZ的PCI兼容；产品系列从原1.8v扩展至2.5v；提供系统速度超过115MHZ 的高性能。

Altera公司还对FPGA的结构进行优化，提供更多的嵌入式RAM。新近推出的FLEX 10KE系列器件是以前的FLEX 10K系列器件的增强型，该系列在结构上采用了与FLEX 10K系列相同的逻辑块，但片内嵌入式RAM是FLEX 10K系列的两倍，而且增加了一个双端口RAM，这对通信应用来说是一个重要的优势所在。Altera公司预计该系列器件可用于66MHZ的工作频率，密度范围为3万"25万门，能够用于66MHZ的PCI和通信应用。

Altera 公司的高密度APEX 20KE系列器件，其主要特点是：真正实现了的低压差信号（low-voltage differential signaling, LVDS）通道，并提供840兆比特的数据传输率。在APEX 20KE系列中的锁相环（PLL）可以提供多种LVDS。设计者可以在1×，4×，7×和8×数据传输模式中实现LVDS I/O标准。APEX 20KE LVDS界面如图3所示。


  
图3 APEX 20KE LVDS界面

另一方面，随着现场可编程逻辑器件越来越高的集成度，加上对不断出现的I/O标准、嵌入功能、高级时钟管理的支持，使得设计人员开始利用现场可编程逻辑器件来进行系统级的片上设计。Altera公司目前正积极倡导SOPC（System on a Progrmmable Chip，系统可编程芯片）。

"片上可编程系统"（SOPC）得到迅速发展，主要有以下几个原因：

1． 密度在100万门以上的现场可编程逻辑芯片已经面市；
2． 第4代现场可编程逻辑器件的开发工具已经成形，可对数量更多的门电路进行更快速的分析和编译，并可使多名设计人员以项目组的方式同步工作；
3． 知识产权（IP）得到重视，越来越多的设计人员以"设计重用"的方式对现有软件代码加以充分利用，从而提高他们的设计效率并缩短上市时间；
4． 由于连接延迟时间的缩短，片上可编程系统（SOPC）能够提供增强的性能，而且由于封装体积的减小，产品尺寸也减少了。  

Altera公司为了实现SOPC的设计，不仅研制开发出新器件，而且还研制出新的开发工具对这些新器件提供支持，并且与新芯片及软件相配合的是带知识产权的系统级设计模块解决方案，它们的参数可由用户自己定义。芯片、软件及知识产权功能集构成了Altera完整的可编程解决SOPC方案--- Excalibur解决方案，如图4给出了利用这一方案实现SOPC的流程图。   


  
图4 简化的SOPC设计流程图