基于FPGA的芯片设计及其应用

过去，半导体行业一直关注的两个目标是缩小体积和提高速率。近 40年来，对这些目标的追求促使行业发展符合摩尔定律，性能和电路密度每18个月翻倍。导致技术高速发展，蕴育了计算机革命、互联网革命以及现在的无线通信革命。但同时也为此付出了代价。一种代价是物理上的。工艺技术上的每一次进步都使得芯片晶体管的“关断”电流增加，也就是待机功耗在增加。另一代价是金钱。每一工艺节点的开发成本呈指数增加。

在芯片设计中FPGA的优势是节约成本

65nm和后续工艺节点上需要考虑的是合理的资金分配，而ASIC设计方法成本高，预期收益回报较低。设计人员应认真考虑使用现场可编程门阵列(FPGA)。这些器件解决了当今设计人员面临的功耗问题，有较好的ROI。

FPGA设计的研发成本要比ASIC低几个数量级，开发人员设计FPGA时，不用面对数百万美元的模板成本，不需要在晶体管级单元布局布线上的高级专业技能，也不需要昂贵的自动设计工具和工艺库。

FPGA的可编程能力还避免了今后大量的研发开支。在产品生命周期中，如果需要在已有设计中加入新功能，对FPGA重新进行编程便可以简单地实现功能改进。而对ASIC设计进行微小的改动也需要在新模板上投入大量人力物力。

认识到可编程优点的开发人员可能会考虑基于处理器的ASIC设计方法。在这一方面，FPGA同样具有优势。可编程逻辑在实现功能上效率要比软件高得多，和基于处理器的设计相比，不但降低了功耗，而且提高了任务执行速度。在基于处理器的设计中，FGPA的确经常被用作硬件加速器。

各种客户群大量采用FPGA，使FPGA的产效在消费类设计上和大批量ASIC水平相当。量产也使得FPGA供应商有足够的收益来切实投入研发。结果， FPGA在体系结构、设计和工艺上是目前最先进的技术，足以和最好的ASIC进行竞争。而且，研发上的投入也保证了FPGA成为功能更强大、质量更好的可靠器件。

对量产的预测已经得到证实。在过去几年中，FPGA的收益超出了半导体市场的总体水平，而且有加速发展的趋势，原因在于芯片技术的复杂度越来越高，业界大量应用降低了对产品量产的预期。所有因素都对FPGA更加有利，而非ASIC。

随着半导体技术在65nm上的突破，人们越来越关心功耗和开发成本问题。使用这些技术的芯片物理设计遇到了更多的挑战，ASIC设计方法实现起来更加困难。设计人员转向基于FPGA的设计后，能够从芯片物理设计难题中抽身而出，让FPGA公司去解决这些问题，把精力集中在应用和系统设计的核心能力以及价值定位上。

基于FPGA的芯片设计方法

1、基于FPGA的电路设计流程如下：逻辑设计—网表设计—FPGA的初始布局—自动布局—自动布线—产生加载FPGA的配置位图。

2、基于FPGA的芯片设计的设计方法：
(1) 选择适当型号的芯片，以提高性能和价格比。
(2) 逻辑设计中尽可能采用适合于FPGA特性的电路，充分、高效、合理地利用FPGA资源。由于门阵列芯片固有的特点，即资源的数量及种类固定，因此在电路设计中应采用相应的对策，以便扬长避短，充分发挥FPGA芯片的功效，基于以上考虑，以下两点显得尤为必要。一点是充分利用单元库中提供的宏单元，另一点是尽可能地减少逻辑设计中的线网长度和数量，这里所说的线网长度，指的是该线网所连接的逻辑单元的数量的总和。
(3) 精心布局，以提高整个系统的性能。
(4) 手工调整布线，充分利用长线资源，确保设计出的芯片满足设计需求。与自动布局一样，自动布线系统布出的线业经常存在着明显的不合理，对布线进行人工干预也是十分必要的。
(5) 运用自动布局布线工具、布出具有同样功能的多块芯片。

XILINX基于FPGA的芯片设计整体解决方案

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专题阐述

本专题首先介绍了FPGA在芯片设计领域的优势及这其中的一些关键技术，在举例说明了它的应用特点之后，以XILINX在芯片设计领域的重点产品和整体解决方案做为收尾，使读者从基础理论知识到具体的应用实践都有清晰的了解，同时也对基于FPGA 的芯片设计过程的认识更加融会贯通。