FPGA的进步铺平了通向真正的SoC解决方案之路

    全定制数字ASIC的前景开始出现阴影。现场可编程门阵列(FPGA)正在接管许多一度被认为是全定制芯片专属领域的应用。自从FPGA在约二十年前出现以来，它已经通过将门数提高了三个数量级而侵占了ASIC的主导地位。此外，FPGA还已经增加了高速I/O、嵌入式内存、专用锁相环(PLL)、以及嵌入式处理器(在一些型号上)。利用FPGA进行设计的一个重要原因是市场上存在着大量以IP(知识产权)形式呈现的预设计好电路模块，设计工程师可以取得使用许可证并将其集成到他们自己的系统中。

      到目前为止，FPGA还没有打入要求模拟功能的系统。混合信号ASIC继续统治着这一领域，尽管随着Actel的Fusion系列混合信号FPGA的出现，这种状况可能很快就会发生改变。这些基于闪存的可编程系统芯片(PSC)除了提供可编程逻辑交换结构和非易失性闪存之外，还提供了模拟到数字转换器(ADC)、模拟输入、MOSFET驱动器、电压参考和其他模拟功能。

      其他公司则采用将可编程模拟功能与少量可编程逻辑组合在一起的方案。例如，Cypress Microsystems公司提供了PSoC可编程系统级芯片(SoC)系列，其后Lattice半导体公司又推出了ispPAC Power Manager II系列。

      Actel Fusion PSC的门数从最小器件的9万门到最大器件的1500万门。除了基于闪存的交换结构配置内存之外，这些芯片还集成了从256 kB到1 MB的用户可编程闪存。此外，为确保数据的完整性，闪存包含了单比特纠错和双比特错误检测功能。

 
      在一些型号的FPGA中还增加了高速I/O、嵌入式内存、专用锁相环(PLL)以及嵌入式处理器。

     集成的ADC可以被配置成8位、10位或12位，其内部参考电压则可提供稳定的2.56 V输出。它还提供高达30个可扩展模拟输入通道，用作温度、电压或电流传感的输入。多亏了闪存所需的高压工艺，设计工程师可利用这一技术来支持预扩展的模拟输入通道，使之可处理高达±12 V的高电压直接连接。

      Fusion PSC借助其转换器和模拟输入引脚、以及10个独立的MOSFET门驱动器输出，可以执行许多电源管理和系统管理任务(例如风扇控制)，否则这些任务需要采用多个外部模拟或混合信号电路。支持高达每秒60万次采样的ADC具有小于1 LSB的差分非线性。

      为了控制转换器和其他系统功能，如8051或ARM的软CPU可以在逻辑交换结构中进行配置。对于功率敏感的应用，PSC提供了超低功耗休眠和待机模式。

      数字技术引领FPGA发展

      当今的数字FPGA主要向两个方向发展以更好地满足系统要求：高密度/高性能应用和中等密度/成本敏感型应用。在要求最高性能的高端领域，基于SRAM的FPGA采用90nm设计工艺以提供可与许多ASIC相媲美的性能。

      现在Altera Stratix II 系列和Xilinx Virtex II Pro以及Virtex 4系列中最大的器件集成了近500万门和高达9 Mbits的SRAM。许多这些芯片也集成了I/O缓冲器、支持每秒几千兆比特数据传输速率的串行器/解串器端口、专用乘加器(MAC)模块、以及用于时钟分配的多个PLL。

      而它不会止步于此。FPGA供应商已经在着手开发用下一代65nm工艺实现的结构。这样的设计很可能将现有的门数再提高一倍，集成更多的嵌入式内存和专用DSP、甚至更高速的I/O缓冲器。
     为了加快DSP算法和其他乘法密集型应用的计算速度，现在许多FPGA嵌入了专用MAC模块。这些MAC模块集中起来能够提供每秒数百的GMAC计算能力。

      最大的Stratix II芯片含有384个双9×9位乘法器，每一个乘法器都能在高达450 MHz的频率下工作(768个9位乘法器可以在高达450 MHz的工作频率下提供346 GMAC处理能力)。这些乘法器也可以被配置为18×18位乘法器，共可提供173 GMAC的处理能力。

      Xilinx Virtex 4 SX55 FPGA集成了512个专用18位乘法器，当时钟频率为500 MHz时，可提供总共256 GMAC的处理能力。当其下一代65nm产品推出时，其性能很可能将继续得到提高。

      在FPGA上提供的高速I/O缓冲器可以处理3.125 Gbps数据速率，以实现目前的XAUI、 SPI-4.2和Fibre Channel接口。它甚至可实现Altera的Stratix IIGX系列产品所带的更高速的I/O缓冲器，它可提供高达6 Gbps的数据传输速率。此外，Xilinx Virtex 4系列中的几款产品集成了几个基于Xilin的Rocket I/O技术的10 Gbps端口。

      当然，如此高的性能也使得它们的售价不菲。每家公司产品系列中的最大门数器件在中等订购量时通常售价达数千美元。这样的价格通常使这些高容量/高性能芯片仅用于建立系统原型、可配置计算加速器和ASIC仿真系统。

      如果配置模式能够被固定下来，那么将FPGA转换为ASIC或结构化ASIC也许是一种经济可行的替代方案。Altera 提供了 Hard-Copy结构化ASIC选择方案。几家ASIC供应商也提供了对Altera和Xilinx FPGA引脚兼容的替代品。

      Xilinx提供了被称为 EasyPath的一种不同方法，它仍使用FPGA，但实现了一种能够利用FPGA上一些非工作门或I/O的方案。软件可以映射逻辑以旁路FPGA上不能正常工作的部分，从而允许公司使用一些否则就有可能被废弃的芯片。这一改善的芯片良率使Xilinx可以大幅降低的价格出售芯片。

      紧盯批量市场

      150万门左右的FPGA产品不管是设计还是定价都针对批量应用(如消费电子产品、平板显示器、HDTV和许多其他市场生命周期很短的系统)(图2)。实例包括Xilinx的Spartan 3E 系列、Altera的Cyclone II系列、Lattice Semiconducto的EC和ECP系列、 Actel的 ProASIC 3系列和QuickLogic的Eclipse II系列。

      最近，几家FPGA供应商已经开始全力开发低待机功耗的产品，以使得这些FPGA可以被用于便携式系统。以QuickLogic最近推出的PolarPro系列为例。在低功率待机模式下，这些器件消耗的电流只有10微安，大约是其他具有低待机电流FPGA的十分之一。它的工作功耗也很适中，只有15 mA。PolarPro系列也可提供1百万门和202 kbits RAM的型号。