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  • 热度 3
    2013-9-7 14:14
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    随着FPGA的生产工艺不断提高,各种新技术被广泛应用到FPGA芯片的设计生产的各个环境。其中,生产工艺结构决定了FPGA芯片的特性和应用场合。     如图1.1所示是FPGA的主要几种生产工艺及典型产品。 图1.1 FPGA生产工艺及典型产品      1.基于SRAM结构的FPGA     目前最大的两个FPGA厂家Xilinx和Altera的所有FPGA产品都是基于SRAM工艺来实现的。这种工艺的优点是可以用较低的成本来实现较高的密度和较高的性能;缺点是掉电后SRAM会失去所有配置,导致每次上电都需要重新加载。     重新加载需要外部的器件来实现,不仅增加了整个系统的成本,而且引入了不稳定的因素。加载的过程容易受到外界干扰而导致加载失败,也容易受到"监听"而**加载文件的比特流。     虽然基于SRAM结构的FPGA存在这些缺点,但是由于其实现成本低,还是得到了广泛的应用,特别是民用产品方面。      2. 基于反融丝结构的FPGA     Actel公司擅长出品反融丝结构的FPGA。这种结构的FPGA只能编程一次,编程后和ASIC一样成为了固定逻辑器件。Quick Logic公司也有类似的FPGA器件,主要面向军品级应用市场。     这样的FPGA失去了反复可编程的灵活性,但是大大提高了系统的稳定性。这种结构的FPGA比较适合应用在环境苛刻的场合,比如高振动,强电磁辐射等航空航天领域。同时,系统的保密性也得到了提高。     这类FPGA因为上电后不需要从外部加载配置,所以上电后可以很快进入工作状态,即 "瞬间上电"技术。这个特性可以满足一些对上电时间要求苛刻的系统。由于是固定逻辑,这种器件的功耗和体积也要低于SRAM结构的FPGA。      3.基于Flash结构的FPGA     Flash具备了反复擦写和掉电后内容非易失特性,因而基于Flash结构的FPGA同时具备了SRAM结构的灵活性和反融丝结构的可靠性。这种技术是最近几年发展起来的新型FPGA实现工艺,目前实现的成本还偏高,没有得到大规模的应用。     系统安全的角度来看,基于Flash的FPGA具有更高的安全性,硬件出错的几率更小,并能够通过公共网络实现安全性远程升级,经过现场处理即可实现产品的升级换代。这种性能减少了现场解决问题所需的昂贵开销。     在Flash器件中集成小型的NVM(Non Volatile Memory,非易失性存储器)模块可以在某些消费电子和汽车电子应用中实现授权技术。这种NVM可以存储安全通信所需的密钥,或者针对基于广播的系统实现机顶盒设备的串行化。     可重编程的NVM在编程时需要一定的电压,因此SRAM用户必须从外部提供这种电压。基于Flash的FPGA采用内部电荷泵进行编程,不需要集成NVM模块,而基于SRAM的FPGA通常缺乏这种功能。     Flash器件的工作频率可达350MHz,利用率超过95%,而SRAM FPGA一般能够达到的利用率仅为70~75%。Flash FPGA在加电时没有像SRAM FPGA那样大的瞬间高峰电流,并且SRAM FPGA通常具有较高的静态功耗和动态功耗。     例如,一块40万门的基于Flash的FPGA需要20mA的静态电流,然而同等规模的基于SRAM的FPGA所需的电流达100mA。SRAM FPGA的功耗问题往往迫使系统设计者不得不增大系统供电电流,并使得整个设计变得更加复杂。   FPGA厂商可以提供两种主要的FPGA技术:Flash和SRAM。表面上看来,这两种FPGA技术具有 相似的特性和性能:都可以进行在系统编程,都具有较高的性能,系统门的密度都可达1M以上。但实际上,这两种技术具有很大的差异。 ---相比基于SRAM的器件而言,基于Flash的可重编程器件的主要优势在于其具有非易失性的特性。基于Flash的FPGA采用Flash编程单元来控制FPGA内部的开关逻辑门。 ---基 于Flash的FPGA编程单元是单管结构,而基于SRAM的FPGA采用六管SRAM单元进行开关控制,并且其开关本身还要占用一个传输门。在系统每次 加电时,我们必须从某个外部器件中加载SRAM FPGA的配置信息。而基于Flash的FPGA是单芯片结构,在加电之前其配置就是有效的,从而大大节约了成本。 ---从系统 安全 的角度来看,基于Flash的FPGA具有更高的 安全 性,硬件出错的几率更小,并能够通过公共网络实现 安全 性远程升级,经过现场处理即可实现产品的升级换代。这种性能减少了现场解决问题所需的昂贵开销。 ---在Flash器件中集成小型的NVM(nonvolatile memory,非易失性 存储器 )模块可以在某些消费电子和汽车电子应用中实现授权技术。这种NVM可以存储 安全 通信所需的密钥,或者针对基于广播的系统实现机顶盒设备的串行化。 ---可重编程的NVM模块在90nm逻辑SRAM工艺下是无法实现的,并且所有的SRAM FPGA厂商也不提供这种模块。将单独的NVM模块集成到SRAM阵列中是可行的,但是将其他工艺下的NVM模块集成到90nm SRAM工艺中却极具挑战性。 ---此外,可重编程的NVM在编程时需要一定的电压,因此SRAM用户必须从外部提供这种电压。基于Flash的FPGA(例如 Actel 的ProASIC3)采用内部电荷泵进行编程,不需要集成NVM模块,而基于SRAM的FPGA通常缺乏这种功能。 --- Actel 公司推出的 ProASIC3/E FPGA工作频率可达350MHz,小规模器件(30 000门)的起价仅为1.50美元(250 000个)。 ---Flash 器件(例如 Actel 的ProASIC3/E)的工作频率可达350MHz,利用率超过95%,而SRAM FPGA一般能够达到的利用率仅为70%到75%。Flash FPGA在加电时没有像SRAM FPGA那样大的瞬间高峰电流,并且SRAM FPGA通常具有较高的静态功耗和动态功耗。 ---例如,一块40万门的基于 Flash的FPGA需要20mA的静态电流,然而同等规模的基于SRAM的FPGA所需的电流达5倍之多。SRAM FPGA的功耗问题往往迫使系统设计者不得不增大系统供电电流,并使得整个设计变得更加复杂。Flash FPGA的功耗特性与ASIC和ASSP十分类似,减少了对电源供电的需求。 单片成本与系统成本的对比 ---要想立足于瞬息万变的市场,工程师们所需的方案必须具有像FPGA那样的灵活性和快速变换的能力,同时还要具有像传统ASIC那样较低的单片成本、 安全 性、加电有效性和功耗优势。 ---作 为价格市场中的一个范例,如表2所示。 Actel 公司推出的基于Flash的FPGA ProASIC3 在30 000门集成度下的售价仅为1.5美元(250 000个),其4倍集成度的器件价格也不超过5美元(500 000个)。而基于SRAM的FPGA在10美元以内只能提供2~3倍的器件密度,同等单片器件的价格达到了与ASIC价格相近的5美元左右。 ---在增大了系统成本的基础上,SRAM FPGA通常还需要额外的支撑电路。除了使用自举PROM或微控制器来加载SRAM FPGA配置数据之外,设计者通常还必须采用SRAM断电检测设备来确保系统的可靠性。 ---在 最新的90nm工艺下制造的基于SRAM的FPGA还必须满足严格的加电规范以及苛刻的电源容差,这通常都要使用电源定序设备。在很多应用中,我们必须使 用外部的时钟分布设备来处理系统的时钟管理任务,因为SRAM FPGA的加电配置延迟使其内部的PLL/DLL电路无法完成时钟管理任务。 ---采用Flash器件进行设计时只需要一种1.5V的电压,而SRAM器件的内核需要1.2V的电压,器件配置需要2.5V的电压。对Flash FPGA经过一次编程之后,它们就不再需要配置电压了,并且其内核与I/O都可以工作在1.5V电压之下。 ---总而言之,基于SRAM的FPGA所需的外部支撑电路成本在3~20美元之间。SRAM系统的额外开销有可能超过芯片的单片价格,更不用说还要耗费可靠性维护、库存管理和设计负责性等软件开销了。 以上参考 http://www.eepw.com.cn/article/57768.htm   目前绝大部分FPGA都采用查找表(Look Up Table,LUT)技术,如Altera的ACEX、APEX、Cyclone、Stratix系列,Xilinx的Spartan、Virtex系列等。这些FPGA中的最基本逻辑单元都是由LUT和触发器组成的。 查找表简称为LUT,本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT,所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后,FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果,并把结果事先写入RAM。这样,每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表,找出该地址对应的内容,然后输出即可。 由于LUT主要适合SRAM工艺生产,所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的。而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失,因此需要外加一片专用的配置芯片。在上电的时候,由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中,FPGA就可以正常工作。少数FPGA产品采用反熔丝或Flash工艺,掉电后配置信息不会丢失,因此这种FPGA芯片不需要外加的专用配置芯片。 FPGA的编程技术 目前,市场上有三种基本的FPGA编程技术:SRAM、反熔丝、Flash。其中,SRAM是迄今为止应用范围最广的架构,主要因为它速度快且具有可重编程能力,而反熔丝FPGA只具有一次可编程(One Time Programmable,OTP)能力。基于Flash的FPGA是FPGA领域比较新的技术,也能提供可重编程功能。基于SRAM的FPGA器件经常带来一些其他的成本,包括:启动PROMS支持安全和保密应用的备用电池等等。基于Flash和反熔丝的FPGA没有这些隐含成本,因此可保证较低的总系统成本。 基于SRAM的FPGA器件 这类产品是基于SRAM结构的可再配置型器件,上电时要将配置数据读入片内SRAM中,配置完成就可进入工作状态。掉电后SRAM中的配置数据丢失,FPGA内部逻辑关系随之消失。这种基于SRAM的FPGA可以反复使用。 反熔丝FPGA 采用反熔丝编程技术的FPGA内部具有反熔丝阵列开关结构,其逻辑功能的定义由专用编程器根据设计实现所给出的数据文件,对其内部的反熔丝阵列进行烧录,从而使器件实现相应的逻辑功能。这种器件的缺点是只能一次性编程;优点是具有高抗干扰性和低功耗,适合于要求高可靠性、高保密性的定型产品。 基于Flash的FPGA 在这类FPGA器件中集成了SRAM和非易失性EEPROM两类存储结构。其中SRAM用于在器件正常工作时对系统进行控制,而EEPROM则用来装载SRAM。由于这类FPGA将EEPROM集成在基于SRAM工艺的现场可编程器件中, 因而可以充分发挥EEPROM的非易失特性和SRAM的重配置性。掉电后,配置信息保存在片内的EEPROM中,因此不需要片外的配置芯片,有助于降低系统成本、提高设计的安全性。 以上参考 http://blog.mcuol.com/User/benbenxiaohaier/Article/6188_1.htm   在芯片制造技术方面,有别于其它常见的SRAM FPGA芯片,Actel采用了独门的Flash FPGA技术,从而使自己的产品具备非常鲜明的特点。尽管,目前业内80%的FPGA都基于SRAM架构,这一架构可以采用标准的SRAM工艺,可以集成更多的晶体管,实现更高的性能,并且发展到40nm工艺阶段。但是采用130nm技术的Flash FPGA仍然在市场上独树一帜。 采用Flash结构的FPGA,在低功耗、安全性、可靠性等方面具有更大优势。正是由于其在安全可靠性方面的优势,Actel牢牢占据军事、航空航天领域的头把交椅。 以上参考 http://www.icbuy.com/info/news_show/info_id/43444.html   更多关于Actel的Flash FPGA的介绍可以参考“Actel FGPA技术专题讲座(1- 4):Actel FPGA的特点” http://blog.sina.com.cn/s/blog_5f194cf90100cult.html
  • 热度 3
    2013-9-7 13:16
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     随着FPGA的生产工艺不断提高,各种新技术被广泛应用到FPGA芯片的设计生产的各个环境。其中,生产工艺结构决定了FPGA芯片的特性和应用场合。     如图1.1所示是FPGA的主要几种生产工艺及典型产品。 图1.1 FPGA生产工艺及典型产品      1.基于SRAM结构的FPGA     目前最大的两个FPGA厂家Xilinx和Altera的所有FPGA产品都是基于SRAM工艺来实现的。这种工艺的优点是可以用较低的成本来实现较高的密度和较高的性能;缺点是掉电后SRAM会失去所有配置,导致每次上电都需要重新加载。     重新加载需要外部的器件来实现,不仅增加了整个系统的成本,而且引入了不稳定的因素。加载的过程容易受到外界干扰而导致加载失败,也容易受到"监听"而**加载文件的比特流。     虽然基于SRAM结构的FPGA存在这些缺点,但是由于其实现成本低,还是得到了广泛的应用,特别是民用产品方面。      2. 基于反融丝结构的FPGA     Actel公司擅长出品反融丝结构的FPGA。这种结构的FPGA只能编程一次,编程后和ASIC一样成为了固定逻辑器件。Quick Logic公司也有类似的FPGA器件,主要面向军品级应用市场。     这样的FPGA失去了反复可编程的灵活性,但是大大提高了系统的稳定性。这种结构的FPGA比较适合应用在环境苛刻的场合,比如高振动,强电磁辐射等航空航天领域。同时,系统的保密性也得到了提高。     这类FPGA因为上电后不需要从外部加载配置,所以上电后可以很快进入工作状态,即 "瞬间上电"技术。这个特性可以满足一些对上电时间要求苛刻的系统。由于是固定逻辑,这种器件的功耗和体积也要低于SRAM结构的FPGA。      3.基于Flash结构的FPGA     Flash具备了反复擦写和掉电后内容非易失特性,因而基于Flash结构的FPGA同时具备了SRAM结构的灵活性和反融丝结构的可靠性。这种技术是最近几年发展起来的新型FPGA实现工艺,目前实现的成本还偏高,没有得到大规模的应用。     系统安全的角度来看,基于Flash的FPGA具有更高的安全性,硬件出错的几率更小,并能够通过公共网络实现安全性远程升级,经过现场处理即可实现产品的升级换代。这种性能减少了现场解决问题所需的昂贵开销。     在Flash器件中集成小型的NVM(Non Volatile Memory,非易失性存储器)模块可以在某些消费电子和汽车电子应用中实现授权技术。这种NVM可以存储安全通信所需的密钥,或者针对基于广播的系统实现机顶盒设备的串行化。     可重编程的NVM在编程时需要一定的电压,因此SRAM用户必须从外部提供这种电压。基于Flash的FPGA采用内部电荷泵进行编程,不需要集成NVM模块,而基于SRAM的FPGA通常缺乏这种功能。     Flash器件的工作频率可达350MHz,利用率超过95%,而SRAM FPGA一般能够达到的利用率仅为70~75%。Flash FPGA在加电时没有像SRAM FPGA那样大的瞬间高峰电流,并且SRAM FPGA通常具有较高的静态功耗和动态功耗。     例如,一块40万门的基于Flash的FPGA需要20mA的静态电流,然而同等规模的基于SRAM的FPGA所需的电流达100mA。SRAM FPGA的功耗问题往往迫使系统设计者不得不增大系统供电电流,并使得整个设计变得更加复杂。 转载自 http://www.farsight.com.cn/news/emb091.htm
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