原创 低成本FPGA怎么做？如何使？

  在所有应用领域中，嵌入式非易失性存储正成为系统范围日益扩大的一项重要需求，闪存已经成为低成本FPGA的主流配置。市面上既有单芯片闪存FPGA，也有外挂闪存FPGA。而前一种结构又分为片上整合的单芯片结构和SIP封装的单芯片结构。XILINX最新推出的一款Spartan-3AN非易失性闪存FPGA，或许为人们更清楚地了解低成本FPGA的设计发展和应用方向提供了参考。

　　结构多元化 存储容量增大

　　Spartan-3AN是XILINX面向低成本应用的 Spartan系列FPGA的最新产品，同它的上一代产品Spartan-3A相比，Spartan-3AN改变了闪存配置方式，提高了容量和安全性。在Spartan-3AN推出之前，XILINX并没有单芯片闪存FPGA，Spartan-3A采用的是外挂方式配置闪存，而市面上已经有了片上闪存的FPGA，XILINX想必也一直面临竞争对手的压力。但是，同其它片上整合闪存的单芯片工艺FPGA不同，Spartan-3AN是通过SIP的方式实现单芯片，准确说是“片内”闪存。

　　XILINX亚太区通用产品部总监张宇清认为，非易失性闪存FPGA一直 
面临片上结合工艺技术的挑战，相对于FPGA的工艺发展，闪存工艺一般要落后1年~2年，而FPGA在高节点工艺中总是面临成本压力，由此也导致非易失性闪存FPGA市场推进的速度缓慢。90nm是目前FPGA在保证可靠性范围内实现低成本的工艺节点，但闪存在这个节点的成本还比较高。在此工艺基础上的Spartan-3AN正是想通过SIP的方式，解决90nm的FPGA和130nm闪存工艺配套的问题。另外，相对于外挂闪存的FPGA，片内闪存可以简化PCB设计，免除上电限制的顾虑。

　　容量一直是闪存FPGA重要的性能体现，它直接影响到外部存储的成本。Spartan-3AN闪存的最大容量是16MB，其中，用户闪存资源为11MB，这个容量已经能够满足基本的嵌入式存储应用。此外，Spartan-3AN采用的是串行闪存技术，可选择五种闪存器件，融合了SRAM技术。XILINX提供的资料称，Spartan-3AN的容量是竞争产品的 1000 倍，它的配置范围从5万~140万系统门，块 RAM 最多可以达到 576kB， I/O为502 个，支持 26 种流行的 I/O 协议标准。

　　工艺取决于成本

　　Spartan-3AN配置的闪存是130nm工艺，按目前闪存可以达到的工艺看不算先进。张宇清认为，虽然闪存工艺也在向90nm以下快速推进，但FPGA加载闪存要考虑成本和良率的问题。从目前情况来看，130nm节点的闪存良率最为稳定，产能高（成本合适），并且也完全能够满足应用需求。

　　另一方面，从FPGA器件工艺来看，Spartan-3AN并不是建立在XILINX最先进的65nm工艺基础上，原因除了成本，还有一个平衡点的问题。张宇清表示，按照XILINX的经验，FPGA从130nm~90nm再到65nm工艺，产品从先进工艺到大批量生产的时间周期通常在1年半至2年左右，过早地在低成本市场推出先进工艺产品不符合市场规律。

　　其实，推动低成本闪存FPGA进入ASIC和ASSP的大批量应用市场的主导力量并非先进工艺，而是功能。张宇清对此有两点解释，一是非易失性闪存之于FPGA所针对的作用开始转变。早期的非易失性闪存FPGA主要的作用是保密和安全功能。片上闪存对工艺的要求很高，成本也就很高，而这类FPGA的市场需求却始终不大，现在，非易失性闪存FPGA的功能出现了转变，配置方式也多元化，为降低应用门槛创造了条件；二是随着FPGA工艺节点的推进，ASSP和ASIC的价格优势越来越小。ASIC在65nm工艺节点时，NRE的成本（固定逻辑器件最终从芯片制造厂制造出来以前客户需要投入的所有成本）高达165万美金。对于客户而言，降低设计成本风险的需求使得闪存FPGA更合适。此外，除了工业和医疗应用，消费电子产品市场周期的加快让应用预期在5年~10年的ASIC越来越力不从心。

　　提高设计安全性 改变认证方法

　　反向工程设计、克隆以及非授权重构等行为一直给FPGA的用户带来危害，产品安全性一直是FPGA用户所关心的。通常，FPGA方案面对的客户多为系统产品制造商，他们往往是通过外包代工的方式来完成产品量产。尽管目前FPGA产品都有采取加密措施，但并不能排除知识产权经由代工厂内部人员泄露出去的可能。

　　XILINX的做法源自其Spartan-3A系列开始推出的“Device DNA 技术”， 张宇清认为，该技术为提高FPGA设计安全性提供了思路。Device DNA 技术特点在于提供了工厂预设的闪存ID和闪存用户字段。工厂预设闪存 ID 与 Device DNA 串行码极为相似，每片闪存器件的工厂预设 ID 都不同，64字节长的预设 ID 可以读取并添加到认证算法中。闪存用户字段是一次性可编程的 64 字节闪存字段，可用来存储认证结果。用户字段还可用于存储版本跟踪序列号或系统中永远不会改变的用户数据常数。以Spartan-3AN为例，其认证方式是，开放一部分足够代工厂进行产品测试的功能，按照设计方提供的步骤进行设置即可出货，而对其它信息保密。待产品完成到客户手上后再启动所有功能。

　在此基础上，设计人员还可以定制认证以及认证失败响应方面的算法。显然，Spartan-3AN可以进一步提高它的保密性，因为利用嵌入式闪存资源，FPGA平台可以将所有配置通信都隐藏在器件内部，使得破解 FPGA 中所包含的设计变得极为困难。

　　可配置功能推动应用

　　新的市场要求协议、总线和接口数量等都可以动态改变，需要器件内建多重引导功能支持几乎无限的重配置，这可以降低总体系统成本并方便现场升级。站在客户端看，采用可针对不同应用灵活配置内容的FPGA在库存上要比ASIC更便于管理控制。XILINX亚太区市场营销董事郑馨南认为，一个FPGA产品平台可以支持不同区域的要求，客户不用担心库存的调整，因为可 
以针对不同应用灵活配置内容。以Spartan-3AN为例，设计人员可利用具有不同功能组合的多种不同配置来管理单个器件设计。大容量也使得设计人员能够在器件中存储多个配置，并动态选择不同的配置文件。利用相同的硬件设计，采用多种配置可以支持诊断结点、功能升级以及全面的产品差异化设计。

　　郑馨南强调，推动FPGA得到广泛应用的另一个重要原因在于，FPGA厂商对于开发工具的投入往往巨大，像XILINX在这方面的投入已经累计高达20亿美金，这是ASIC开发商难以做到的。FPGA的这些特性决定了它更加广泛的应用前景，包括多媒体编解码、数据压缩/解压缩以及微控制器应用等。目前，除了手机等便携式设备由于功耗的限制还不能进入外，低成本、大批量FPGA应用的领域囊括了液晶显示、IPTV、网关、医疗和工业等几乎所有领域。