FPGA发展策略和新方案盘点

2011-08-04 17:25:26来源: 互联网
    全球市场回暖,中国市场的持续向好,在ASIC和ASSP市场中不断攻城掠地等等因素都在推动FPGA市场的增长。以通信市场为例,基于可编程器件的高度灵活性,过去几年,FPGA在GSM设备到LTE设备中的用量增长了3.1倍;就FPGA对ASIC和ASSP市场的渗透规模而言,在2007年之前,可编程器件相对于ASIC市场的增长而言非常缓慢,但2007年之后情况发生了改变。截止到去年年底,ASIC和ASSP的市场总量高达800亿美元,但增长率已经放缓,原因在于开发成本上升太快。在90nm的节点,ASIC的掩膜成本约为100万美金,到65nm节点,这一成本上升为200万美金。以单价10-50美元的28nm器件价格为例,要支付包括掩膜、工程设计以及公司运营在内的成本,必须销售出500~2700万颗芯片,很少有应用能支持到这一用量。反观FPGA,其在成本上的优势自90nm工艺节点之后开始体现。在130nm节点之前,FPGA的工艺进程升级一直晚于ASIC,但到了40nm,全球首个利用代工厂推出产品的是Altera的FPGA,目前Xilinx和Altera都有推出28nm的FPGA样片,这一进程超过了ASIC。

  综上所述,随着系统设备功能要求的不断增加,系统级芯片的设计愈趋复杂,并且在设计周期、灵活度和NRE成本等方面都面临着更大的挑战。这一趋势使得FPGA器件在电路设计、产品设计和系统设计中的应用正在加快。由于具备接口、控制、功能IP、内嵌CPU等资源,FPGA可以很容易地实现构造简单,固化程度高并且功能全面的系统产品设计,系统级设计和产品已是FPGA最大的市场。

  不过,针对不同的应用和设计需求,FPGA器件的发展也各有不同。一方面,在高端器件上是跟随摩尔定律,通过制造工艺的升级增加逻辑单元的规模,并在提高性能的同时降低功耗的压力;另一方面则是低成本、低功率和性能的中、低端FPGA和CPLD,如密度范围在10K至250K LUT的器件等,下文将尝试就目前最具代表性的四家FPGA公司(Xilinx、Altera、Lattice和Microsemi)的发展策略、产品进程和新方案做一个归纳。

  Xilinx

  发展策略:目标设计平台+高性能技术

  目前,Xilinx将其技术发展方向锁定在目标设计平台、28Gbps 串行收发器技术、堆叠硅片互联技术、可扩展式处理平台和7系列FPGA。毫无疑问,目标设计平台是Xilinx在发展策略上的一个重大决策,也是其在FPGA设计方法学上的一次突破。Xilinx目标设计平台包括全面集成且经成功测试的软硬件、IP以及应用框架,还包括适用的设计环境。其平台组件包括:目标参考设计(连接功能套件、DSP套件和嵌入式套件)、IP核与外设(IP核、连接功能、DSP、嵌入式处理和Xilinx的AXI4)、设计工具(ISE设计指南,包括逻辑、嵌入式系统和DSP)和开发板与套件。就具体目标开发而言,包括针对逻辑设计的通用FPGA开发平台,针对特定技术领域(连接功能、DSP和嵌入式设计)的平台技术,满足行业应用需求的平台(航空航天和军工、汽车、广播、工业、科学和医疗、无线通信和有线通信)。

  28nm工艺上的7系列代表了Xilinx目前最新的产品和技术,7系列是迄今为止Xilinx同一时间最快推出的产品,包括Artix-7、Kintex-7、Virtex-7和可扩展处理器平台Zynq,采用了TSMC特别为其开发的28nm HPL(高性能低功耗)工艺。Kintex-7拥有1920个DSP、32个12.5Gbps收发器和500个I/O口。Virtex-7则拥有5280个DSP,最多96个收发器(包括12.5Gbps、13.1Gbps和28.05Gbps三种速率),而Artix-7则拥有16个收发器,内置敏捷混合信号(AMS)的片上监控,12位1Msps ADCs、16个独立的输入和片上电压/热传感器,其总功耗小于1W。目前Kintex-7 325T已经开始提供样片给客户,首款Kintex-7开发板也已面市,AXI4 IP和目标参考设计已经开发完毕并投入运行,并且ISE 13.1 设计套件已经针对 7 系列设计开放。Kintex-7最快将在2012年第一季度转入量产。

  Xilinx可扩展式处理平台是基于ARM Cortex-A9 MPCore 处理器的单芯片解决方案,目前推出的是Zynq-7000系列。Cortex-A9 MPCore由2个CPU组成,带有专门的NEON协处理器(媒体和信号处理架构,增加了面向音频、视频、3D 图形、影像和语言处理的指令)和双精度浮点单元,再结合低功耗 28nm工艺技术,以实现高度的灵活性、强大的配置功能和高性能。Zynq-7000可扩展处理平台的特点,一是,软硬件可编程; 二是,处理系统随时可编程;三是,可扩展的密度与性能大大提高(采用尖端的7系列FPGA构建、集成了双12位模数转换器,速率高达1Msps和超过3000个内部互联,带宽高达100Gb。能提供多达760个DSP引擎,性能超过910GMAC,可实现大规模并行处理);四是,灵活性超过任何标准处理解决方案(54个处理器I/O、50个多标准和高性能I/O、多达12个高性能集成串行收发器和灵活的存储器接口)。

  Zynq-7000的产品系列包括Zynq-7010、Zynq-7020、Zynq-7030和Zynq-7040,Zynq-7030和Zynq-7040是两个较大的器件,均具备高速低功耗的串行连接功能,其内置的千兆位级收发器运行速度高达10.3125 Gbps。这两款产品分别提供约190万和350万个ASIC门(即125,000和235,000个逻辑单元),DSP峰值性能分别达480 GMAC 和 912 GMAC,一般是针对高端领域里的应用。Zynq-7010 和 Zynq-7020 这两款较小的器件分别提供约 43 万和 130 万个 ASIC 门(即 30,000和85,000 个逻辑单元),DSP 峰值性能分别为 58 GMAC 和 158 GMAC,多应用于一些低端市场。该器件预计在年底推出样片,据称批量起价低于15美元,其将在性能、功耗和单位成本上超过ARM处理器+FPGA的双芯片方案。

  在收发器技术上,Xilinx在其最高端的Virtex-7 HT FPGA中集成了16个高性能28Gbps收发器,具有很好的抖动、抗噪声干扰与串扰性能,可与新一代CFP2光学模块接口相连,可实现业界最高带宽,可为100G-400G线路卡乃至更先进的新一代通信系统提供最大的单FPGA解决方案。

  Xilinx的堆叠硅片互联技术(SSIT)基于7系列FPGA中逻辑架构、Block RAM、时钟技术、DSP切片和Select I/O已经完全相同的基础,由TSMC开发。利用该技术,单个FPGA可以包含200万个逻辑单元,与40nm FPGA相比,功耗可降低50%。在堆叠硅片互联结构中,数据在一系列相邻的FPGA芯片上通过1万多个过孔走线。相对于必须使用标准I/O连接在电路板上集成两个FPGA而言,堆叠硅片互联技术将单位功耗芯片间连接带宽提升了100倍,时延减至五分之一,而且不会占用任何高速串行或并行I/O资源。在堆叠硅片互联技术中,无源硅中介层由TSMC提供,它有四层导线层,是堆叠互联的关键。由于中介层无源,因此不存在散热问题,它使得建立在该技术上的超大规模FPGA相当于单芯片。

  方案推荐:广播视频引擎设计平台和SMPTE2022 IP核心

  该平台用以加速高质量视频处理硬件的开发,并通过互联网协议以高达10 Gbps的速率交付这些视频。以Virtex-6或Spartan-6 FPGA广播连接套件为基础,可先通过该套件的连接性将视频带入FPGA,然后创建视频管线算法,Xilinx的最新广播产品能持续提高视频质量,同时满足在 IP 网络中输送未经压缩的 HD、3D 和 4K 视频流的要求。

  该平台由一个广播级质量的视频和影像处理IP包、支持Virtex-6 FPGA的参考设计和Spartan-6 FPGA广播连接套件组成,后者包括Xilinx ISE设计套件嵌入式开发软件。IP 核、工具和硬件组合让设计人员能更加轻松地为支持各种 SD/HD/3D 格式、帧率和解析度的多种广播应用类型开发实时视频处理链。此套件的FMC(FPGA 中间卡)连接器支持设计者面向IP视频以及其他需要实时性能的广播设计(包括突发新闻、现场直播活动和体育报道)接口而快速评估,并集成 了SD/HD/3G-SDI、AES3 音频、DVI、HDMI、DisplayPort、10GbE(10 Gb 以太网)。此外,该套件也可用来创建数字影院和超高画质(或超级 HDTV)系统中需要最高视频质量和最高带宽的应用。

  视频引擎目标设计平台的关键特性包括:视频和图像处理IP包,支持 1080p60、2K 和 4K 视频处理,提供广播级质量的缩放、去隔行、屏幕显示、降噪等功能;SMPTE2022 IP核的实施,在 Virtex-6 FPGA 广播连接套件上通过 10Gb 以太网以全双工方式显示全带宽、低抖动 3x 3G-SDI(或 6x HD-SDI)。此系统可在任何距离通过单一链接交付多达 6 个未压缩的 HD 电影源;来自Tokyo Electron Devices 的 Inrevium Spartan-6 FPGA 广播连接套件,支持全新面向 SD/HD/3G-SDI和 AES3 音频的低成本 FMC以及面向各种显示接口的可选 FMC,如HDMI、Disp layPort和V-by-One HS ;Virtex-7 HT FPGA 28 Gbps 下一代收发器出色的抖动性能,支持用于通信和广播回程链接的超高聚合带宽,例如有线中的 EdgeQAM / CMTS 应用,同时也非常适合 10G-SDI 标准和新兴标准,以处理 4Kx2K 数字影院和超高画质 8Kx4K 带宽;Xilinx联盟成员 Vanguard Software Solutions  H.264/AVC-I 视频编码器可在不牺牲视频质量的情况下降低带宽和存储要求。借助 High10 和 High422 帧内编码特性,设计人员可以迅速和便捷地将 AllianceCORE IP 核集成到贡献、采集和存档系统中,支持 SMPTE AVC-I Class50 & Class100;Kintex-7是行业第一款 28nm FPGA 产品,非常适合广播应用,其提供的收发器能支持高达12.5 Gbps 带宽,提供2倍的性能,而功耗只有上一代 FPGA 的 50%。

  Altera

  发展策略:嵌入式计划+高性能技术

  Altera去年开始启动嵌入式计划,基于这一计划,Altera锁定了四类目标市场:一是通信远端(RU)设备中把基于ARM的处理器和FPGA整合为单芯片的市场;二是工控处理器市场,这些处理器原先采用Intel或Power PC内核,性能在1500DMIPS左右;三是北美和欧洲军用市场,这一市场类似通信处理,主要负责一些数据包的处理;四是广播信号控制和处理。

  Altera嵌入式计划包括新的系统级集成工具、嵌入式系统配置功能和统一的FPGA设计流程。推动Altera进行嵌入式计划的原因在于,CPU的功耗瓶颈越来越突出,多内核+硬件加速的模式成为系统设计的主流,嵌入式系统越来越多需要使用FPGA,而支持FPGA的嵌入式选择也越来越多,面对这些趋势,设计的需求在于为CPU和可配置加速器提供更多的组合,降低BOM成本以及能够为基于FPGA的CPU提供更多的OS,另外一个十分重要的支持在于能够为各种各样的选择提供统一的FPGA设计流程。

  Altera认为未来填补工艺效率的功耗瓶颈的方法正是体系结构的创新,嵌入式计划提供了基于Quartus II开发软件的单一FPGA设计流程——包括新的Qsys系统级集成工具、公用FPGA知识产权(IP)库,以及新的ARM Cortex-A9 MPCore和MIPS技术公司MIPS32嵌入式处理器产品等。Qsys系统级集成工具可以使嵌入式设计人员面向Altera Nios II、基于ARM和MIPS的嵌入式处理器以及可配置Intel Atom处理器开始设计。Qsys利用了业界首创的FPGA优化芯片网络技术来支持多种业界标准IP协议,提高了结果质量,具有很高的效能。Qsys采用SOPC Builder界面,支持与现有嵌入式系统移植的后向兼容。而且,这一高级互联技术将支持分层设计、渐进式编译以及部分重新配置方法。Qsys是Altera SOPC Builder工具的后续产品,引入了FPGA优化芯片网络技术,与SOPC Builder相比,存储器映射和数据通路互联性能提高至两倍,SOPC Builder适合单层次设计,而Qsys提高了系统级设计效能,适合多层次设计,并且,Qsys支持业界标准IP接口,如AMBA,使之可以支持设计重用。

  作为嵌入式计划的一部分,Altera正在拓展其嵌入式合作伙伴计划,联合ARM、Intel和MIPS技术公司以及FPGA业界的多个合作伙伴,与他们协作,增强设计流程,支持越来越多的FPGA嵌入式处理产品走向市场。例如Intel的基于Atom的可配置新处理器就在多芯片封装中采用了Intel Atom E600系列以及配对的Altera FPGA。对于希望采用专用I/O或者加速硬件的用户而言,新架构提高了他们的灵活性。Altera也与ARM签署了协议,授权包括Cortex-A9微处理器在内的多种技术。Altera在其28nm FPGA技术中提供集成了增强Cortex-A9处理器子系统的产品。此外,Altera还进一步扩展了软核处理器,将推出基于MIPS32处理器体系结构的MP32软核处理器。MP32是Altera、MIPS技术公司以及主要用户过去几年密切协作的结果。它针对Altera器件完善了Altera Nios II嵌入式处理器以及合作伙伴软核CPU系列产品,极大地丰富了FPGA可以使用的操作系统和应用程序。

  Altera在摩尔定律的产品规划上并非一条路向前走。在28nm工艺之前,Altera一直是在高端和中低端器件两个方向独立发展,并非所谓“瀑布型”自高而低的产品开发模式,在65nm节点时,Cyclone III要早于 Stratix III推出,直到28nm节点,Altera才先推出了高密度产品。在功耗控制技术方面,Altera采用了组合方式,如Stratix III中采用了可编程功耗控制技术,降低工作电压VCC,在工艺上采用HK金属栅极技术来解决MOS管漏电问题,并且在掩膜光刻技术上采取措施来降低芯片功耗;在收发器方面(45nm时,一个收发器通道功耗约150μW),Altera最新的28nm器件中收发器功耗为80μW。此外,Altera还通过针对应用将FPGA部分硬化,增加DSP功能,以及提高I/O和存储器速度等措施来降低FPGA整体功耗。

  方案推荐:28nm FPGA系列

  在28nm制程上,Altera最新发布的是Cyclone V和Arria V FPGA系列产品、新扩展功能的是Stratix V FPGA以及此前发布的HardCopy V ASIC系列产品。为了满足从最大带宽到最低功耗等多种应用对性能、特性和功耗的特殊需求,在28nm系列产品中,Altera发挥了收发器技术、产品体系结构、知识产权(IP)集成和工艺技术优势,定制单元、突出多样化,提供了最佳解决方案。

  新产品导入了一系列新的技术:一是收发器。Altera的28nm器件支持速率从600 Mbps到28 Gbps的收发器,在整个系列产品中,Altera的28nm收发器技术基于模块化体系结构;二是产品体系结构。在性能和效率上进行了优化的片内存储器;硬核和软核存储器控制器,支持所需的应用带宽功耗和成本需求;在性能上进行了优化的高端、中端,适合于各种应用和I/O;三是IP集成。为满足重点应用的成本、功耗和性能需求,Altera增强了多种系统级IP,例如,PCI Express(PCIe) Gen2 x1和x4、PCIe Gen3 x8、Interlaken、40G/100G和100 Gigabit以太网(100GbE);四是工艺技术。为能够有效的服务于多种应用,Altera在高端产品系列(Stratix V FPGA)和HardCopy V ASIC上采用了TSMC 28nm高性能(28HP)工艺技术,在低成本(Cyclone V FPGA)和中端(Arria V FPGA)系列产品上采用了TSMC的28nm低功耗(28LP)工艺技术。Altera还利用28LP工艺,在成本、性能和低功耗上达到最佳平衡。在高端采用28HP工艺技术对于实现高端应用需要的内核和收发器性能非常关键。

  对于电机控制、显示和软件无线电等对低功耗和电路板空间要求较高的应用,Altera的Cyclone V FPGA系列是理想选择。相对于前一代器件,Cyclone V系列总功耗降低了40%,提供工作速率高达5 Gbps的12个收发器,增强PCIe Gen2 x1模块,以及支持LPDDR2、移动DDR和DDR3外部存储器的硬核存储器控制器。

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关键字:Xilinx  Altera  Lattice

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0804/article_2376.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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