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65nm是用来解决问题的

2011年11月22日 ?? 收藏0
半导体工业的最主要特征是工艺不断进步,平均每隔几年就要升级一次,带动功耗和成本不断下降,性能不断提升。从180nm到130nm,再到90nm、65nm和45nm,这些略显枯燥的数字使我们的生活正在加速进入充斥各种电子器件的数字时代。

在新的工艺节点上,当可编程逻辑,逻辑器件,也就是CPLD和FPGA厂商一次又一次在不久的将来65nm领域把电子设计行业专家和电子社群共同推出的荣誉带回他们的总部的时候,我们不得不再次思索65nm究竟给这个行业带来的是什么样的变化,可编程逻辑解决方案为什么从以前的配角不断地成为行业的热点。

众所周知,通信、仪器、工业、军工、航天等许多市场具有小批量、多品种的特点,如果投入大量资源开发一颗专用的芯片,经济上是非常不划算的。另外,越来越多的企业意识到差异化的快速灵活生产才是生存和发展之道,但却是高昂的芯片设计和制造成本却阻碍了技术的创新。还好有FPGA,工程师可以用FPGA实现所需的功能和算法,这样他们就不必受限于某种产品或某家厂商,而仅仅受限于他们的创造性思维。

FPGA要与其它类型的器件竞争,必须满足低成本、低功耗、高性能的要求,采用先进工艺是最直接有效的办法了。同时,由于FPGA芯片是一次研发投入,就可以用软件编程的方式反复利用,让众多的客户来分担研发成本。因而FPGA厂商在采用先进工艺上可谓不遗余力。从130nm、90nm到65nm,每一次新的工艺制程的推进,都离不开他们的身影。

比如赛灵思的65nmVirtex-5,作为可编程领域最早推出且是目前唯一量产的65nm器件,就很具有相当的代表性。 宣称“Innovation in the Heart”的赛灵思在新的65nmVirtex-5上, 采用了先进的3层不同厚度的氧化层技术降低漏电和静电,通过1.0V的内核电压和应变硅技术实现了更低的动态功耗并提升性能,用12层铜技术降低电容电压以及镍硅化物自动对准技术提升性能等。此外,Virtex-5还采用ASMBL架构和Express Fabric,并内置了温度与电压传感器等技术,与前代90nm FPGA相比,速度平均提高30%,容量增加65%,动态功耗降低35%,静态功耗不变,芯片面积减小了45%。Virtex-5具有6个独立输入的查找表(LUT)和新型对角互连结构,减少了逻辑层次,改进了构造块之间的信号互连,使逻辑性能比上一代Virtex-4平均提高30%。赛灵思亚太区Virtex解决方案高级市场经理邹志雄透露,65nm Virtex的价格有望比90nm器件下降20%~30%。

利用ExpressFabric架构的6输入查找表,实现64位分布式RAM时,只需用一个逻辑单元,而以往的4输入查找表则需要4个逻辑单元。

系统设计师当然喜欢高性能,可绝对讨厌高功耗,如何在降低功耗的同时不牺牲速度和性能也是很大的挑战。厂商为降低功耗,通常会采用较低的内核电压,但内核电压下降会牺牲速度,如内核电压从1.1V下降到0.9V,速度将会降低17%。邹志雄解释道,Virtex-5通过扩大硅分子间距,在采用1.0V电压时并没有增加漏电流,也没有牺牲速度与性能,在性能和功耗之间取得了很好的平衡。

高速信号处理与串行传输

手机是数字式的,家电是智能的,高清电视可以挂墙上了,我们身边可以找到的纯模拟信号的产品日渐稀少,所有的产品一定要粘上数字两个字才够时髦。数字世界的核心要义是实现数字信号的处理,包括变换、滤波、编解码等操作,可以用MCU、DSP、FPGA、硬连线逻辑等多种方式来实现。硬连线逻辑的处理效率最好,但灵活性最差,开发十分复杂,只能适应一种媒体格式和固定的操作,无法满足支持多种媒体格式的要求,基本上已被淘汰。MCU的强项是控制,对数字信号处理的能力有限,对数据量有限的应用还可以应付。从名字上就可以知道,DSP最适合数字信号处理,如语音、视频、图像,而且DSP的架构相对精简,易于提高时钟频率。DSP的性能受很多固定硬件架构的限制,如总线性能瓶颈、固定数量的乘法累加(MAC)模块、固定存储器、固定硬件加速模块和固定数据带宽等。因此DSP的这种固定硬件架构对于许多要求定制DSP功能实现的应用来说并不适用。FPGA最大的优势是并行处理,在同一时间能处理大量不同的任务,因而在涉及到复杂计算时可把DSP的一些任务卸载到FPGA中处理。

随着电信网、广播电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼容,并逐步整合成为统一的信息通信网络,对计算处理能力的要求越来越高,这时仅靠DSP又难以承担,常采用DSP+FPGA的方式实现系统逻辑复用及合并、实现新外设或总线接口以及信号处理链中的性能加速。

FPGA本身的处理性能在不断提高,在很多应用中大有取代DSP之势,尤其是在一些标准不断演进的通信系统中。FPGA可配置DSP片段来实现复用器、计数器、乘法累加器、加法器和很多其它功能,这些都不需要占用逻辑结构资源。FPGA还具有高的片上存储器带宽、大量I/O带宽以及高度的灵活性,可以在更低的功耗下提供高性能的可编程DSP功能,同时还能降低系统成本和减小电路板面积。系统设计师可以用一片或几片FPGA开发出一块原本要数十块DSP和可能多块电路板才能实现的电路板。因为FPGA支持在相同封装内的纵向移植,因此只需要更换不同规格的器件,就可以在同一个电路板设计上实现从低端到高端的功能。特别是对那些处理高速数据的多通道应用,FPGA可实现每时钟周期数百浮点乘法,这比最快的DSP快数倍。

以Virtex-5 SXT FPGA为例,该器件增强的DSP逻辑片(DSP48E)包括一个25x18位乘法器、一个48位第二级累加和算法运算单元以及一个可扩展到96位的48位输出。更宽的数据路径和输出可支持更广泛的动态范围和更高的精度,同时还优化了对单精度浮点运算的支持,而所消耗的资源只有90nm FPGA的一半。DSP48E逻辑片还包括了集成的层级路由,支持550MHz全速下的并行处理,利用640个DSP48E块可提供352GMAC的处理能力。其它功能还包括一个独立的C寄存器和一个扩展的第二级,这个第二级支持SIMD运算和模式检测,能够更高效地完成DSP实现。Virtex-5的DSP48E逻辑片可实现各种加速算法,可实现DSP功能的更高程度的集成,比以前Virtex器件的功耗更低。

FPGA还具有MCU和DSP所不具有的特性,那就是高速的硬件加密功能。由于FPGA是并行架构,可以同时对许多位数据进行加密。Virtex-5支持AES加密,基于软件的比特流加密和片上比特流解密逻辑使用了专用存储器来存储256位加密钥。


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65nm? Virtex-5? 查找表? 逻辑单元?

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