FPGA技术发展探究-硬件和射频工程师

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1、FPGA技术发展探究摘要 　　本文在介绍国际现场可编程逻辑器件的主流厂家Xilinx、Altera和Actel各自的新技术、产品发展特点外，将归纳介绍在新世纪以FPGA为代表的数字系统现场集成技术发展的主要特征和应用前景。 　　关键词 FPGA SOPC 高密度 低压、低功耗 动态可重构数字系统 现场集成 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

2、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"（SO

3、PC）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

4、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。　　　　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5

5、00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。　　　　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

6、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。　　在推出Virtex FPGA之后不到一年，Xilinx又推出了Virtex-E系列产品，其性能和密度可与ASIC匹敌。Virtex-E系列产品的主要特点是：拥有 320万个系统门；832k位的真双端口内部块状RAM；

7、8个DLL并支持超过20种不同的信号标准，包括LVDS、Bus LVDS以及LVPECL；采用0.18um工艺制造，在单个器件上实现了2.1亿个晶体管的密度。总之，Virtex和Virtex-E 系列不仅将FPGA性能推向一个新层面，还解决了向系统集成的挑战。 　　Xilinx产品的另一个发展方向是实现可编程逻辑器件在大批量生产中的应用，所以对成本要求更高。Spartan系列是以XC4000系列结构为基础，并结合了片上RAM 、强大的IP库支持和大容量、低价格的特点，使其可在大批量生产中替代ASIC。 　　Spar