原创 FPGA创新工艺和架构大幅改善功耗、性能和成本问题

 2011-8-1 11:40  2058 9 9 分类: FPGA/CPLD

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。

例如快速增长的宽带应用，对基础设备和最终用户设备开发人员提出了新挑战。用户希望这些设备在严格的功耗和成本预算条件下，不断提高带宽。为了在给定的面积中显著提高器件密度和性能，并抑制功耗攀升，Altera在Stratix V FPGA中通过内嵌HardCopy模块、嵌入式收发器和部分重配置技术，解决了带宽、成本和功耗上的挑战。

Stratix V FPGA集成28G和14.1-Gbps收发器，相对于前代器件收发器功耗降低达50%，可接驳多达6个72位DDR3存储器接口，速率可达1066MHz/2132Mbps，具备2.5TMACs信号处理性能和PCI Express Gen3, Gen2, Gen1硬核（hard IP）支持。此外，在FPGA内核中内嵌Hardcopy模块及收发器中集成硬核可消除系统瓶颈。

通过内嵌Hardcopy模块，籍其相当于14.3MASIC门或1.19M逻辑单元的规模，达到倍增器件密度而无损成本以及功耗指标。部分重配置(partial reconfiguration)技术允许用户减小设计尺寸，节省制板面积、成本及功耗。小数锁相环（fPLL）增加了时钟灵活性，并可替代外置VCXO，收发器集成了电散射补偿(EDC)功能，无需外置PHY来接驳光模块，有效提高了单片集成度，并降低成本。

得益于可在运行中改变内核功能的部分重配置技术，可方便支持多个协议/速率或改变PMA设置的收发器动态重配置技术，以及利用设计中原有PCI Express通道加载/更新FPGA的协议配置（CvP）功能，Stratix V取得了极度的灵活性，减小板级设计的复杂度。

此外，Stratix V利用可编程功耗技术、TSMC 28HP工艺优化、0.85-V核电压、部分重配置、内嵌Hardcopy模块和收发器集成硬核等关键技术，实现了相对前代产品30%的总功耗降低。

Altera宣称在Stratix V FPGA中实现了更多超越摩尔定律的创新才能满足客户需求，这些创新在确保他们在成本和功耗符合预算的前提下可满足更高的带宽需求，

而Xilinx Kintex-7，可谓是半导体领域一个里程碑式的标志性产品。它号称是全球首款28nm产品，相对前一代 FPGA 而言，其成本和功耗降低了一半，性价比提高了2 倍。Kintex-7 系列可提供高密度逻辑、高性能串行连接功能、存储器、DSP 以及灵活混合信号所有这些优势均可实现的更高的系统级性能，并将集成度提升到全新的高度。这些优异的性能有助于连续创新，同时能够以批量零售价格实现设计差异化。

Kintex-7 K325T能够以不同价位提供高信号处理能力和低功耗，是同类FPGA中第一个实现功耗大幅削减而为 LTE 无线射频卡和下一代无线基站提供每美元最多通道数量的产品，可以满足长期演进 (LTE) 无线网络的部署要求。Kintex-7 也支持平板显示屏、便携式超声波设备和许多其他应用，并提供了包括高宽带、低抖动的串行收发器所要求的出色性价比，可以满足价格敏感型有线通信应用的苛刻要求。

所有 7 系列 FPGA 共享统一架构，采用高性能、低功耗 (HPL) 28 nm 工艺制造而成。该创新使设计能够在Artix-7、Kintex-7与 Virtex-7 FPGA 系列之间移植。系统制造商能够对成功设计方案轻松进行扩展，以满足要求更低成本、更低功耗或更高性能和容量的相邻市场的需求。作为支持即插即用型 FPGA 设计的互联策略的一部分，AMBA 4、AXI4 规范的实施进一步提高了 IP 重用效率、移植性和可预测性。Kintex-7作为中间级的产品，定位的用户群体上下兼顾，最为广泛，而且统一的架构也使其可以支持客户马上着手那些最终将迁移至 Artix-7 和 Virtex-7 FPGA的设计。