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(多图) FPGA技术发展探究

来源:半导体技术/陈旭 朱明程?? 2006年03月29日 ?? 收藏0

?????? 一. 绪言

?????? 自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件(FPGA)至今,FPGA已经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中,以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展:现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门,发展到90年代的25万个可利用门,乃至当新世纪来临之即,国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片,将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。纵观现场可编程逻辑器件的发展历史,其之所以具有巨大的市场吸引力,根本在于:FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题,而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低,促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场,特别是对小批量、多品种的产品需求,使FPGA成为首选。

?????? 目前,FPGA的主要发展动向

是:随着大规模现场可编程逻辑器件的发展,系统设计进入"片上可编程系统"(SOPC)的新纪元;芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进;国际各大公司都在积极扩充其IP库,以优化的资源更好的满足用户的需求,扩大市场;特别是引人注目的所谓FPGA动态可重构技术的开拓,将推动数字系统设计观念的巨大转变。

?????? 二. Xilinx公司研制开发的FPGA系列产品的主要特征

?????? Xilinx公司自发明FPGA以来,就不断的推出新器件和开发工具,力求芯片的速度更高、功耗更低。在其新近开发的产品中,Xilinx重新定义了未来的可编程逻辑,为用户提供2.5v,3.3v和5v可编程逻辑系列选择,并利用先进的0.18-、0.22-、0.25-、0.35um工艺技术生产出低成本、高性能的可编程逻辑产品。主要推出了Virtex系列和SpantanTM系列的FPGA。Virtex系列突破了传统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(如图一所示)。 而SpantanTM系列为替代ASIC的大容量FPGA树立了一个新的低成本标准。

Virtex系列使FPGA从连接逻辑提升至系统的核心部件

图1 Virtex系列使FPGA从连接逻辑提升至系统的核心部件

?????? Virtex 系列FPGA集成了许多满足系统级设计要求的新性能,具有独特的结构特点如图2。整个Virtex系列由九种器件组成,系统门数从5万到100万门(1,728到27,648个逻辑单元);提供给用户的I/O引脚数最多超过500个;采用多种封装形式,包括先进的1.0mm FinePitchTMBGA和0.8mm芯片封装;采用5层金属的0.22微米CMOS工艺,实现5V容差的I/O接口;借助于优选的时序驱动的布局和布线工具,在400MHz的PⅡCPU上,编译速度可达20万门/秒。?

Virtex系列的内部结构

图2 Virtex系列的内部结构

?????? Virtex系统的独特结构使它具有以下一些重要性能:
?????? ●拥有四重数字化延时锁定电路(DLL),用于内外时钟同步;使芯片到芯片间的通讯速度达到200MHz;所有器件从时钟到输出的延时均小于3ns;时钟可倍频和分频,可进行00,900,1800,2700相移。
?????? ●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。
?????? ●Virtex支持3级存储。它的SelectRAM+存储层为字节级(分布式存储)、千字节级(块存储)和兆字节级(与外部DRAM和SRAM的SSTL3接口)存储块提供很高的频宽。
?????? ●采用SelectI/OTM技术,同时支持多种电压和信号标准。
?????? ●兼容66MHz/64比特PCI和Compact PCI。


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