FPGA现状及发展趋势

FPGA现状及发展趋势[e-mail]提纲FPGA的发展史FPGA的现状分析FPGA的发展趋势FPGA的概述可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）起源于20世纪70年代，是在专用集成电路（ASIC）的基础上发展起来的一种新型逻辑器件。其特点是由用户通过软件进行配置和编程，完成某种特定功能，修改和升级，只需在计算机上修改和更新，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了设计的周期，提高了实现的灵活性并降低成本，因此获得了广大硬件工程师的青睐，形成了巨大的PLD产业规模。从可编程逻辑器件诞生至今，经过二十几年的发展，芯片规模、密度、以及性能有了惊人的变化。可编程逻辑器件简介目前常见的PLD产品有：可编程只读存储器（ProgrammableReadOnlyMemory，PROM）可编程阵列逻辑（ProgrammableArrayLogic，PAL）通用阵列逻辑（GenericArrayLogic，GAL）复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD）现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）可编程逻辑器件简介第一阶段•PROM、EPROM和EEPROM，•由于结构的限制，只能完成简单的数字逻辑功能。第二阶段•PAL和GAL，正式被称为PLD，能够完成各种逻辑运算功能。•由“与”、“非”阵列组成，以乘积和形式完成大量的逻辑组合。第三阶段•FPGA和CPLD能够实现超大规模的电路，编程方式也很灵活，成为产品原型设计和中小规模产品生产的首选。第四阶段•SOPC和SoC技术是PLD和ASIC技术融合的结果，涵盖了实时化数字信号处理技术、高速数据收发器、复杂计算以及嵌入式系统设计技术。FPGA概述FPGA（FieldProgrammableGateArray）是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构，查找表可以很好地满足这一要求。各家公司FPGA架构简单介绍：FPGA概述-架构对称阵列FPGA结构上图为对称阵列FPGA的内部结构示意图，主要由可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源和内嵌IP核等组成。FPGA核心单元-IOB1、可编程输入输出单元（IOB）可编程输入/输出单元简称I/O单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求，提供输入缓冲、输出驱动、接口电平转换、阻抗匹配以及延迟控制等功能，FPGA内的I/O按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O标准。通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/O物理特性，可以调整驱动电流的大小，可以改变上、下拉电阻。目前，I/O口的频率也越来越高，一些高端的FPGA通过DDR寄存器技术可以支持高达2Gbps的数据速率。下图是IOB的结构示意图：FPGA核心单元-IOB2、可配置逻辑块（CLB）CLB是FPGA内的基本逻辑单元。CLB的实际数量和特性会依器件的不同而不同，但是每个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路（多路复用器等）和触发器组成。开关矩阵是高度灵活的，可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。在某些FPGA器件中，CLB由多个相同的Slice和附加逻辑构成。FPGA核心单元-CLBFPGA核心单元-CLBCLB中查找表LUT目前主流FPGA采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和宇航级FPGA采用Flash或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。LUT的基本原理是：对于一个n输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算等等，最多只可能存在2n种结果。所以如果事先将相应的结果存放于一个存储单元，就相当于实现了与非门电路的功能。某些LUT不仅可以用于实现组合逻辑、函数发生器和移位寄存器等功能。FPGA核心单元-CLBLUT作为函数发生器：FPGA核心单元-CLBLUT作为移位寄存器：FPGA核心单元-CLB3、数字时钟管理模块（DCM）大多数FPGA均提供数字时钟管理。通过该模块提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。FPGA核心单元-DCM4、嵌入式块RAM（BRAM）大多数FPGA都具有内嵌的块RAM，这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器（CAM）以及FIFO等常用存储结构。RAM、FIFO是比较普及的概念，在此就不冗述。CAM存储器在其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑，写入CAM中的数据会和内部的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有数据的地址，因而在路由的地址交换器中有广泛的应用。除了块RAM，还可以将FPGA中的LUT灵活地配置成RAM、ROM和FIFO等结构。在实际应用中，芯片内部块RAM的数量也是选择芯片的一个重要因素。FPGA核心单元-BRAM5、丰富的布线资源布线资源连通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为４类不同的类别。第一类是全局布线资源，用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线；第二类是长线资源，用以完成芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线；第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；第四类是分布式的布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。FPGA核心单元-布线资源6、内嵌IP核内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的，指FPGA处理能力强大的硬核（HardCore），等效于ASIC电路。为了提高FPGA性能，芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。Xilinx的主流芯片都集成了硬核的块RAM、硬核乘加器，在高端产品还集成了PowerPC系列CPU，还内嵌了吉比特收发器（MGT）模块等。FPGA核心单元-内嵌IP核FPGA设计的实现可分为映射、布局、布线、配置比特流生成和配置几个阶段。FPGA概述-设计开发流程RTLSynthesis将设计输入(HDL源码、电路图等)转换为特定格式(一般为EDIF)的网表基础：带数据通道的有限状态机模型FSMDCDFG(控制数据流图)：CFG(控制流图)，DFG(数据流图)基本任务：调度和分配算法：调度算法：ASAP(AsSoonAsPossible),ALAP(AsLastAsPossible),Force-Directed,ILP(整数线性规划法)分配算法：贪婪构造法,左边缘算法,团划分,ILPFPGA概述-设计开发流程Mapping将与工艺无关的逻辑门转换成目标FPGA结构中的逻辑单元算法：基于目标优化：面积；时序；功率和布线性基于转换算法的类型：面向结构；面向功能基于输入网表的类型：组合网表；时序网表典型：FlowMap——基于最大流估算的深度优先的映射算法，耗费多项式时间。FPGA概述-设计开发流程Placement将映射后网表中逻辑单元置放于适当的物理位置算法：基于模拟退火算法：VPRPacking/Placing基于划分(partitioning)：PPFF基于图嵌入和度量几何学：CAPRI布图规划：FrontierFPGA概述-设计开发流程Routing将布局后物理单元通过FPGA布线通道连接起来，其结果应满足时序和其它约束要求分为布线资源图的生成、全局布线和详细布线三个阶段算法：基于贪婪装箱算法基于模拟演化基于协商方法基于Steiner图的启发式算法典型：PathFinder——基于协商方法，通过对不同变量的评估和选择，比如对基本布线代价、过去和现在阻塞量的评估等，将全局布线和详细布线结合到一个详细资源布线图上，这样会减少所需布线通路数目。FPGA概述-设计开发流程各厂商在软件技术上也推陈出新，研发出适合新型硬件的高效算法、更加良好的人机界面以及新的设计方法学，陆续在软件中采用了时序驱动布局布线技术、模块化设计、增量设计、主动时序收敛、物理综合、形式验证、功耗分析等新技术新方法。FPGA软件开发平台FPGA的发展史FPGA的现状分析FPGA的发展趋势FPGA的概述PLD的发展史FPGA的发展史（1）•推出全球第一款FPGA产品——XC2064，采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85,000个晶体管，门数量不超过1,000门。1985年Xilinx•推出XC4000系列FPGA，这是第一款被广泛使用的FPGA，包含44万个晶体管。采用0.7μm工艺。1991年Xilinx•推出带有嵌入式模块RAM的FPGA•FLEX10KFPGA1995年Altera•Virtex系列，是第一个百万门级的高端FPGA，采用0.25μm工艺，FPGA架构向前迈了一大步，成为传统的基于门阵列或标准单元技术ASIC器件的可编程替代选择方案。1998年XilinxFPGA的发展史（2）•世界上第一款带有硬件嵌入式处理器的FPGA——基于ARM的Excalibur器件。2000年Altera•世界上第一款带有嵌入式收发器的0.18umFPGA——MercuryFPGA2001年Altera•世界上第一款带有嵌入式DSP模块的FPGA——Stratix•采用0.13um工艺的成本最低的FPGA——Cyclone2002年Altera•世界上第一款90nmFPGA——Spartan-3系列FPGA2003年XilinxFPGA的发展史（3）•全球首个65nmVirtex-5系列产品，该FPGA基于业内最先进的65nm散栅极氧化技术，取得突破性进展的新ExpressFabric技术和工人的ASMBL架构。2006年Xilinx•业界首款40nmFPGA——StratixIVFPGA，具有高密度、最好性能、最低功耗、最大的收发器带宽。2008年Altera•Virtex-6采用40nm工艺构建是目标设计平台的高性能芯片基础。功耗和成本分别比上一代产品低50%和20%。2009年Xilinx•业界带宽最大的FPGA——StratixV，具有1.6Tbps串行交换能力，采用各种创新技术和前沿28-nm工艺，降低了宽带应用的成本和功耗。2010年Altera•7系列FPGA统计架构•利用高-K金属栅、高性能、低功耗28nm工艺技术，为您实现低功耗、最高性能和生产力最大化。2010年XilinxXilinx公司简介Xilinx公司成立于1984年，首创了现场可编程逻辑阵列(FPGA)这一创新性的技术，并于1985年首次推出商业化产品。目前Xilinx占有全世界FPGA产品一半以上的市场份额。Xilinx公司的FPGA器件基于SRAM架构，可“无限次”编程；LUT可配置为分布式RAM；块RAM可配置为多种模式；全数字式的时钟管理系统，可提供灵活精确的时钟信号；VersaRing提供了IOB与CLB的连接，可以更便利的实现PIN锁定。Xilinx主要产品列表产品系列系统门（K）CLBRAM大小(K)工艺电压(V)分布式块低端XC4000E2～45100～1,0243～32无0.6umCMOS3层金属5XC4000EX18～651024～1,29632～40无0.5umCMOS4层金属5XC4000XL3～18064～3,1362～98无0.35umSRAM5层金属3.3XC4000XLA30～180576～3,13618～98无0.35umCMOS5层金属3.3XC4000XV220～5004,096～9,464131～271无0.25umCMOS5层金属2.5S