FPGA现状及发展趋势

FPGA现状及其发展趋势2005年6月12日来金梅内容一、FPGA的发展概要二、商用FPGA产品现状与应用前景三、FPGA发展趋势四、结束语内容一、FPGA的发展概要二、商用FPGA产品现状与应用前景三、FPGA发展趋势四、结束语PLD中的连接和“与”门一、FPGA的发展概要（1）1、PLD(ProgrammableLogicDevice)⎯快捷、灵活设计成为可能„PROM—70年代初，速度低，作存储器„PLA—70年代中，可编程的与或阵列组成，编程有一定困难，没有得到广泛应用„PAL—70年代末，“与”阵列编程使输入项增多。采用熔丝编程方式，双极型工艺制造，速度快，第一个被广泛应用一、FPGA的发展概要（2）„GAL—80年代，电擦除技术、编程比PAL灵活、芯片类型少。“与阵列”可编程，“或阵列”固定。„引入了OLMC（OutputLogicMicroCell），输出逻辑宏单元，使得少数几种GAL器件就能取代几乎所有的PAL„PLD器件弊短„PLD的利用率随规模的扩大而降低„设计灵活性差„寄存器、I/O数目有限„互连固定„逻辑块级编程一、FPGA的发展概要（3）2、EPLD„1984年Altera推出首块EP300„逻辑块级编程，从编程属PLD„宏单元组合，设计灵活性比PAL、GAL有较大改善„内部连线相对固定一、FPGA的发展概要（4）一、FPGA的发展概要（5）„EPLD宏单元宏单元：可编程寄存触发器可编程I/O控制逻辑单元一、FPGA的发展概要（6）3、FPGA：CPLD和FPGA统称„1985年Xillinx公司推出首块XC2000„逻辑门级编程，设计更灵活„可编程逻辑单元PLC（ProgrammableLogicCell）„可编程连线资源PRR（ProgrammableRoutingResource）„可编程I/O模块PIO（ProgrammableI/OBlock）„规模容量更大性能更高的SOPC（SystemonaProgrammableChip）„0.09微米，9层金属连线，系统速度达到500MHz以上„FPGA中内嵌如DSP，MCU，RAM，PCI总线接口等模块，如XILINXVirtex-IIPro,AlteraStratix„ASIC中嵌入FPGAIP核一、FPGA的发展概要小结„PLD⎯快捷、灵活设计成为可能；互连固定；利用率随规模的扩大而降低；设计灵活性差。„EPLD⎯宏单元组合结构，逻辑块级编程（属PLD），内部连线相对固定，设计灵活性比PAL，GAL有较大改善。„FPGA⎯可编程逻辑单元PLC，可编程IO，可编程互连；规模容量更大性能更高；设计更灵活。内容一、FPGA的发展概要二、商用FPGA产品现状与应用前景三、FPGA发展趋势四、结束语二、商用FPGA现状与应用前景1、PLD/FPGA厂商2、XILINX产品3、ALTERA产品4、LATTICE产品5、FPGA应用前景1、PLD/FPGA厂商XilinxAlteraLatticeActelCypressOthersXilinxAlteraLatticeActelCypressOthers二、商用FPGA现状与应用前景（1）„在欧洲用Xilinx的人多„在日本和亚太地区用ALTERA的人多„在美国则是平分秋色1、PLD/FPGA厂商二、商用FPGA现状与应用前景（1）2、XILINX产品„开发软件：ISE/Foundation„器件：„XC9500：Flash工艺PLD，ISP功能,常见型号有XC9536，XC9572，XC95144。„CoolRunner-II：1.8v低功耗PLD产品。„SPARTAN-II:0.18um，2.5vSRAM工艺低成本产品,SPARTAN的升级产品。二、商用FPGA现状与应用前景（2）2、XILINX产品„主流器件：„Spartan-IIE:1.8v中等规模FPGA，与Virtex-E的结构基本一样，低价格„SpartanIII:结构与VirtexII类似，1.2v90nm工艺„Spartan3E：以标准产品价格实现微处理器、微控制器和数字信号处理器功能；支持18种通用I/O标准„Virtex-II:1.5v大规模SRAM工艺FPGA„Virtex-IIpro:基于VirtexII的结构，内部集成CPU和高速接口„Virtex-4，90nm，500MHZ„LX:普通逻辑应用„SX:数字信号处理，DSP模块比较多„FX:复杂系统应用提供优化,集成PowerPC和高速接口收发模块二、商用FPGA现状与应用前景（2）二、商用FPGA现状与应用前景（3）Spantan/SpantanXL:„低成本，0.35um„XC4000结构为基础„系统门5000~40,000门；„238~1862个逻辑单元LC；（LogicCell：一个4输入LUT加上一个触发器）„昀大可用IO数：77~205„灵活的片上存储器„PCI全兼容„数字延迟锁相环„具有功率管理（睡眠模式）„为替代ASIC的大容量FPGA树立了一个新的低成本标准Virtex-II第一套(PlatformFPGA)CLB数目：64~116481个CLB=4个Slice=2.25LC可块选的双口:18kbitRAM：4~168DCM：4~12（DigitalclockManager）18*18乘法器模块：4~168最大IO：88~1108二、商用FPGA现状与应用前景（4）二、商用FPGA现状与应用前景（5）Virtex系列：„系统门数从5万到100万门„CLB：384~6144；LC:1,728到27,648个„提供给用户的I/O引脚数180~660„采用5层金属的0.22微米CMOS工艺，实现5V容差的I/O接口；„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。„支持3级存储，SelectRAM+3级存储。„采用SelectI/O，同时支持多种电压和信号标准。„兼容66MHz/64比特PCI和CompactPCI。„集成了许多满足系统级设计要求的新性能，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。„Virtex-E系列„其性能和密度可与ASIC匹敌„0.18um工艺，6层布线„系统门57,906~4,074,387„逻辑单元：1,728~73,008„CLB：384~16224„在单个器件上实现了2.1亿个晶体管„32kbit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„最大可用IO：176~804„Virtex/Virtex-E系列解决了向系统集成的挑战二、商用FPGA现状与应用前景（6）3、ALTERA产品„开发软件：QuartusII，取代MaxplusII„器件：„MAX7000S/AE：5v/3.3vEEPOM工艺PLD，32到1024宏单元„MAX3000A是99年推出的3.3v低价格EEPOM工艺PLD,结构与MAX7000基本一样„高速FLEX10KE是98推出的2.5vSRAM工艺PLD(FPGA),从3万门到25万门，主要有10K30E,10K50E,10K100E,带嵌入式存储块(EAB)，较早型号FLEX10K(5V),FLEX10KA(3.3v),5v的10K和3.3v的10KA已基本不推广，逐渐被Cyclone取代。二、商用FPGA现状与应用前景（7）3、ALTERA产品„器件：„低价格ACEX1K是2000年推出的2.5v低价格SRAM工艺PLD(FPGA),结构与10KE类似,带嵌入式存储块(EAB),部分型号带PLL，系列产品有:1K10,1K30,1K50,1K100„高密度APEXII：SRAM工艺，支持LVDS,PLL,CAM,主要转向Stratix器件二、商用FPGA现状与应用前景（8）„主流器件„Stratix：0.13umSRAM工艺大规模FPGA,集成硬件乘加器,芯片内部结构比Altera以前的产品有很大变化„StratixII:Stratix的新一代产品，90nm大容量高性能FPGA，速度比Virtex-IIpro快1.9倍。„Cyclone：SRAM工艺中等规模FPGA，与Stratix结构类似，是一种低成本FPGA系列，其配置芯片也改用新的产品„CycloneII：Cyclone的新一代产品，低成本FPGA，90nm，Low-k，包含150个18*18乘法器。„MAXII：容量比上一代大大增加，增加很多功能，性价比很好二、商用FPGA现状与应用前景（9）Stratix„1.5V，0.13um全铜SRAM工艺，容量从10,570至114140个逻辑单元（LE），一个LAB（logicarrayblock）有10个LE。„512bitRAM数目：94~1118；4KbitRAM数目：60~520；512MegaRAM数目：1~12„DSP数目：6~28，每个DSP可实现4个9×9乘法器/累加器„StratixFPGA系列提供了具有层次时钟结构和多达12个锁相环（PLL）的完整的时钟管理方案。二、商用FPGA现状与应用前景（10）StratixLEStratixBlockDiagram二、商用FPGA现状与应用前景（11）Altera的FPGA系列产品的主要特征：„针对通信市场推出的新型低成本ACEX系列（ACE）„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„提供更多的嵌入式RAM的高速FLEX系列。„FLEX10KE系列是FLEX10K的增强型，采用了与FLEX10K系列相同的逻辑块，但片内嵌入式RAM是FLEX10K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。器件可用于66MHZ的工作频率，密度范围为3万~25万门.二、商用FPGA现状与应用前景（12）Altera的FPGA系列产品的主要特征：„高密度APEX20KE系列器件„真正实现了的低压差信号（low-voltagedifferentialsignaling,LVDS）通道，并提供840兆比特的数据传输率。„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LVDSI/O标准4、Lattice产品„Lattice是ISP（在线可编程，In-SystemProgrammability）技术的发明者。„解决了可编程器件的编程问题。„传统的可编程逻辑器是先编程后装配。„在系统可编程是先配置后编程。„ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，80年代和90年代初是其黄金时期，但很快被Xilinx，Altera超过。中小规模PLD比较有特色，种类齐全。„开发软件：isplever,与ALTERA和XILINX相比，其开发工具略逊一筹。二、商用FPGA现状与应用前景（13）4、Lattice产品„主流器件„ispMACH4000V/B/C/Z:Lattice收购Vantis以后推出的新一代PLD。„ispMACH5000系列：容量比较大„ispXPLD5000系列：Lattice最新推出的PLD系列，采用ispXP（ISPeXpandedProgramming）技术，容量比较大„ispXPGA系列：将配置芯片集成在FPGA内部„LatticeEC/ECP：LatticeEC不包含DSP单元，侧重于普通逻辑应用，ECP包含DSP模块，可用于数字信号处理二、商用FPGA现状与应用前景（14）二、商用FPGA现状与应用前景4、Actel产品„反熔丝技术FPGA的领先供应商，主要有两大系列„SX-A系列：功耗低（200MHZ，不到1w，价格也较为低廉、并拥有良好的性能）。致命的弱点，只能一次性编程，为了弥补这一不足，新近推出了一种非易失性、可重新编程的门阵列-ProASICFPGAs（功耗仅是基于SRAM的FPGA产品的1/3到1/2）。该系列产品集于高密度、低功耗、非易失性和