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节能需求下,闪存FPGA给设计人员带来更多灵活性

Tim Morin?? 美高森美公司营销总监?? 2015年08月13日 ?? 收藏1
今天基于闪存的门阵列不仅是一系列可配置的系统门,还包括了许多其它专用功能,可以缩减系统设计时间、提高逻辑利用率、降低系统成本和功率,并且在提供与可配置逻辑中实施的同等的功能时,提供更好的性能。预定义的专用功能块保留了基本的FPGA逻辑资源,并且在某些情况下,可实现一些不可能由FPGA中的逻辑模块来构建的功能。

为何使用闪存工艺?

在许多应用中,基于SRAM的FPGA器件也能够提供与基于闪存的FPGA相似的特性和功能。然而,由于这些FPGA使用SRAM单元来保持配置模式,当电源消失时,配置模式也消失了;在电源恢复时,系统必需重新载入配置模式,通常经由一个串行接口,这可能要花数十或数百毫秒的时间。

另一方面,在基于闪存的FPGA中,配置模式保存在芯片上的非易失性存储器单元,甚至电源被移除时,闪存单元中的内容仍然保持完好无缺;当系统重新启动时,FPGA可在数微秒内上电,节省了宝贵的时间,可让系统快速从电源故障或者重新启动中恢复。

过去,基于闪存的FPGA在密度、性能和片上特性,比如处理器内核、高速I/O通道和其它需要高密度的功能方面,也都落后于基于SRAM的器件。这种落后主要是由于缩减闪存单元的所需的挑战,通常闪存单元需要的尺寸超过了芯片上其余SRAM逻辑组件。更大的尺寸带来更低的性能,并且无法在FPGA上集成高性能处理器内核和其它功能。

然而,工艺技术的进步现在可让FPGA设计人员缩减闪存配置单元的尺寸,并且将它们集成进先进的逻辑工艺中,推动基于闪存的高性能FPGA提供不下于SRAM FPGA,甚至更加优越的特性和功能,并且通常具有更低的系统成本。此外,由于无需外部配置存储器,基于闪存的阵列器件具有更小的系统占位面积,并且消耗更少功率。

闪存技术已从专用工艺变成了主流工艺,使得基于闪存的FPGA器件可以在成本敏感的市场上进行竞争,同时提供超过150K LE的逻辑密度(图1)。闪存FPGA的集成功能还提供了可以帮助减少系统复杂性、降低系统功率和减少总体系统成本的系统级解决方案。

图1: 具有最高150K LE的FPGA有着许多市场机会,范围从大约3亿美元的国防和安全市场以至5亿美元的综合有线和无线市场
图1: 具有最高150K LE的FPGA有着许多市场机会,范围从大约3亿美元的国防和安全市场以至5亿美元的综合有线和无线市场

图 2 简明比较了闪存 FPGA与相近密度SRAM FPGA器件之集成特性。

图2:闪存FPGA与 SRAM FPGA的集成特性比较 (用于少于150K LE的器件)
图2:闪存FPGA与 SRAM FPGA的集成特性比较 (用于少于150K LE的器件)

虽然,基于闪存的 FPGA和同等密度的基于SRAM的 FPGA有许多共同之处,但除了闪存或SRAM配置性的不同之外,两者之间还有许多显著的特性区别,主要是I/O引脚的数目、SERDES通道的数目,以及基于闪存的 FPGA加入了高性能存储器子系统及嵌入式安全功能,包括AES256 或 SHA256加密/解密功能。

对于中等密度范围器件,设计人员在特性、I/O引脚,以及封装选项方面拥有丰富选择,能够满足任何一个系统需求。然而,不同的产品系列提供不同的特性组合,因而没有一个产品系列可以解决每一个系统需求。对于帮助设计人员降低系统复杂性的嵌入式系统支持功能,也有同样情况。许多基于闪存和基于SRAM的 FPGA器件均拥有相同的功能,比如PCIe端点、SRAM模块、DSP模块(可配置乘法器-累加器功能)等片上功能,以及可编程的逻辑模块。

然而,更多的独特功能,比如嵌入式处理器、存储控制器、多千兆位/秒SERDES端口,以及专用的数据保密/解密支持,则限于个别器件。

有功和待机模式下的功耗,通常是选择FPGA的决定性因素,尤其是如果最终系统必需在低功率模式下运作,或者在停电时必需以备份电池工作尽可能长的时间。

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