1：FPGA的发展

FPGA的发展自我介绍任课教师：陈禾、崔嵬、郑哲任职单位：北京理工大学雷达技术研究所办公地点：七号教学楼406房间办公电话：68918042E_mail:[e-mail]本次课的主要内容集成电路的发展ASIC的发展FPGA的发展课程内容介绍常用术语|集成电路（IC）－integratedcircuit|ASIC－applicationspecificintegratedcircuit|掩膜版图－layout|集成度－等效门（gateequivalent)|特征尺寸－featuresize|FPGA—fieldprogrammablegatearray|SoC—systems-on-a-chip|SoPC—systems-on-a-programmable-chipIC重要地位|信息产业值占国民经济总值的40%~60%|微电子工业是国民经济信息化的基石|集成电路（IC）是微电子技术的核心z如果以单位质量的“钢”对国民生产总值的贡献为1来计算，则小轿车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路则高达2000。晶体管的发明|1947年12月16日美国贝尔实验室晶体管小组成员Brattain观察到，流经连接在两根导线间锗晶体后的电流被放大了。|经三位科学家长期合作，代替真空管的晶体管发明了:zJohnBardeenzWalterHBrattainzWillianShockley|晶体管的发明，宣布了信息时代的到来，这三位晶体管之父，因此获1956年诺贝尔物理学奖。单片集成电路的发明|1958年前后，美国的RobertNoyce和JackKelby两人几乎不约而同地发明了集成电路技术。|1959年设计出来的第一个集成电路只有四个晶体管。|1965年美国硅谷仙童半导体公司的戈登.摩尔：z集成电路上可容纳的晶体管数量，大约每隔18～24个月就会增长一倍。|半导体工业的发展进一步证实了这一结论：z1969年Intel4位微处理器4004有2300只晶体管，104KHz。摩尔定律Intel微处理器发展4004集成了2250个晶体管，各晶体管相互之间的距离是10微米，可处理4位数据，每秒运算6万次，频率108KHzIC封装Intel微处理器发展（续）Pentium4诞生于2000年，生产工艺升级为0.18微米，晶体管数量也高达4200万Intel微处理器发展（续）Montecito是Intel的第二代Itanium，也是首款双核心Itanium，是Intel推动多核心的重要棋子。它的两个核心拥有17亿个晶体管，缓存容量也高达24MB。Intel微处理器发展（续）在2006年9月的IDF论坛上，Intel展示了一颗新的原型芯片，拥有80个核心，浮点运算性能可突破1TFlops，即每秒十万亿次运算能力。年份1997199920012003200620092012昀小线宽0.250.180.150.130.100.070.01(μm）DRAM容量256M1G1G~4G4G16G64G256G每片晶体管112140762005201400数（M）芯片尺寸300440385430520620750(平方毫米）频率750120014001600200025003000(兆赫）金属化层数66-7777-88-99昀低供电1.8-2.511.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6电压（v）昀大晶圆200300300300300450450直径（mm）集成电路发展规划集成电路的分类专用集成电路（ASIC）|ASIC的提出和发展说明集成电路进入了一个新阶段。|通用的、标准的集成电路已不能完全适应电子系统的急剧变化和更新换代。各个电子系统厂家都希望生产出具有自己特色的合格产品，只有ASIC产品才能达到这种要求。|这也就是自80年代中期以来，ASIC得到广泛重视的根本原因。|ASIC概念z广义•面向专门用途而区别于标准逻辑电路、通用存储器及通用微处理器电路的ICz狭义•它是根据某一用户的特定要求，能以低制作成本、短交货周期供货的半定制、定制电路以及PLD和FPGA电路。zASSP(专用标准产品)“今天的线路板就是明天的专用电路”专用集成电路概念专用集成电路概念ASIC树专用集成电路设计分类定制半定制模块编译(blockcompiler)可编程逻辑器件(PLD)逻辑单元阵列(logiccellarray或称FPGA)通用单元标准单元混合式积木块门阵列线性阵列门海有通道可编程阵列逻辑(PAL)全定制可编程逻辑阵列(PLA)通用可编程阵列逻辑(GAL)专用集成电路设计分类|ASIC设计方法分类z全定制法（full-customdesignapproach）•精细到每个晶体管的设计•昀优的设计结果•昀低的效率•不适合大规模数字集成电路设计•在模拟、射频、存储等的设计上仍为首选VDDVSSVDDVSS专用集成电路设计分类z半定制法（semi-customdesignapproach）——门阵列专用集成电路设计分类z定制法（customdesignapproach）——标准单元I/O压焊块固定单元1单元2单元3单元4高度布线通道可变宽度单元行a)b)|可编程逻辑器件是ASIC的一个重要分支。|它是一种已完成了全部工艺制造、可直接从市场上购得的产品，用户只要对它编程就可实现所需要的电路功能．所以称它为可编程ASIC。|通信的发展促进了FPGA的发展可编程逻辑器件的发展可编程逻辑器件的发展|ASIC的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，减少了产品的物理尺寸，但是:zASIC芯片都必须到IC厂家去加工制造z设计制造周期长z且一旦有了错误，需重新修改设计和制造，成本和时间大大增加。可编程逻辑器件的发展|硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要，在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的ASIC芯片并马上投入使用，而且可反复编程，修改错误，大大方便设计者。这就是可编程逻辑器件提出的基本思想。|可编程逻辑器件给数字系统的设计带来了革命性的变化。他的影响丝毫不亚于20世纪70年代单片机的发明和使用。可编程逻辑器件的发展|能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路|如同一张白纸，工程师可以通过原理图输入法或硬件描述语言，还可以二者混合自由地设计一个数字系统|使用可编程逻辑器件来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。|成为电子设计领域中昀具活力和发展前途的一项技术。z可编程逻辑器件法（programmablelogicdevices-PLD）z逻辑单元阵列法（logiccellarray）--FPGA可编程I/O单元可编程布线资源可编程逻辑单元可编程逻辑器件的分类|规模越来越大z随着VLSI工艺的不断提高，FPGA芯片的规模越来越大，达到上千万门级的规模。芯片的规模越大，所能实现的功能就越强，同时也更适于实现片上系统(SoC)。|开发过程投资小zFPGA芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，而且FPGA设计灵活，发现错误时可直接更改设计，减少了投片风险，节省了许多潜在的花费。所以不但许多复杂系统使用FPGA完成，甚至设计ASIC也要把实现FPGA功能样机作为必需的步骤。FPGA特性FPGA特性|FPGA一般可以反复地编程、擦除z在不改变外围电路的情况下，设计不同片内逻辑就能实现不同的电路功能。所以，用FPGA试制功能样机，能以昀快的速度占领市场。甚至在有些领域，因为相关标准协议发展太快，设计ASIC可能跟不上技术的更新，只能用FPGA完成系统的研制与开发。|保密性能z在某些场合下，根据要求选用防止反向技术的FPGA，能很好地保护系统的安全性和设计者的知识产权。|良好的IP核支持z以ARM、PowerPC、Nios和MicroBlaze为代表的RISC处理器软硬IP核、各种标准外设软硬IP核和实现通信、数字信号处理功能的IP核极大地加强了系统功能，实现真正的可编程片上系统。|FPGA开发工具zFPGA开发工具种类繁多、智能化高、功能强大，可以完成从输入、综合、实现到配置芯片等一系列功能。还有很多工具可以完成对设计的仿真、优化、约束、在线调试等功能。|性能z功耗高z主频z纯数字电路FPGA特性可编程逻辑器件的发展趋势|前言zICInsights数据显示,PLD市场从1999年的29亿增长到去年的百亿zMatas预计这种高速增长局面以后很难出现,但可编程逻辑器件已然是集成电路中昀具活力和前途的产业z主要原因:依赖通信和网络产品市场的飞速发展可编程逻辑器件的发展趋势|继续向更高密度，更大容量迈进zFPGA已达1000万门的规模z大容量PLD/FPGA是市场发展的焦点•Xilinx•Altera可编程逻辑器件的发展趋势|低密度PLD依然走俏z代表产品:Altera的MAX7000/3000，Lattice的ispLSI2000，Xlinx的XC9500，CoolRunnerz容量在增加zPLD业界正在向低电压器件演进可编程逻辑器件的发展趋势|向低电压、低功耗的方向发展zPLD的内核电压在不断的降低,经历5V→3.3V→2.5V→1.8V→1.5V→1.2V→1.0V的演变，未来将会更低。z工作电压的降低使得芯片的功耗也大大减少，这样就适应了一些低功耗场合的应用，比如移动通信设备、个人数字助理等。可编程逻辑器件的发展趋势z无论那个厂家、哪种类型的产品，都在瞄准低压、低功耗发展方向而努力。z更有新型的公司以其特色的技术加入低压、低功耗芯片的竞争。•如PhilipsSemiconductors推出的CoolRunner960，提供标准的6ns传输延迟、工作于3v的电压下。•低功耗的关键是采用了ZeroPower互连阵列•当其它的相等规模的CPLD需要消耗250mA的静电流时，CoolRunner960的耗电不到100mA可编程逻辑器件的发展趋势|IP内核得到进一步发展z推出“硬件”IPzAltera和Xilinx相继推出超级内核，目前正准备支持一些新兴的宽带I/O技术z开发工具的改变:•缩短编译时间•Altera加快PLD内嵌入处理器相关设计的工具:SOPCBuilder•Xilinx与Mentor和Synopsys合作可编程逻辑器件的发展趋势z提供标准化硬件IP•QuickLogic推出“嵌入式标准产品”。尝试将标准产品的可靠性和低成本与FPGA的灵活性和上市时间的优势相结合，例如QuickSD系列的单片LVDS串/并转化器件•嵌入内核是一种更廉价，更简捷的方法•MCU、DSP和MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用的核心zIP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式。可编程逻辑器件的发展趋势|FPGA动态可重构技术意义深远z单片系统芯片的超大规模、高密度发展需求z一个有趣现象•复杂数字系统芯片工作时，从时间轴上来看，并不是每一瞬间系统的各个部分都在工作，而系统是各个局部模块功能在时间链上的总成。•基于SRAM编程的FPGA可以在外部逻辑的控制下，通过存储于存储器中不同的目标系统数据的重新下载，来实现芯片逻辑功能的改变。这称之为静态系统重构技术。可编程逻辑器件的发展趋势|能不能利用芯片的这种分时复用特性，用较小规模的FPGA芯片来实现更大规模的数字时序系统？（动态系统重构）可编程逻辑器件的发展趋势z研究发现•常规的SRAM的FPGA只能实现静态系统重构•芯片功能的重新配置大约需要数毫秒到数十毫秒量级的时间；•在重新配置数据的过程中，旧的逻辑功能失去，新的逻辑功能尚未建立，电路逻辑在时间轴上断裂，系统功能无法动态连接。•要实现高速的动态重构，要求芯片功能的重新配置时间缩短到纳秒量级，这就需要对FPGA的结构进行革新。•可以预见，一旦实现了FPGA的动态重构，则将引发数字系统的设计的思想的巨大转变。可编程逻辑器件的发展趋势|向数摸混合可编程方向发展z迄今为止，PLD的开发与应用的大部分工作都集中在数字逻辑电路上，在未来几年里这一局面将会有所改变，模拟电路和数