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典型的FPGA芯片解读

目前市场上FPGA芯片主要来自Xilinx公司和Altera公司 ， 这两家公司占据了FPGA 80%以上的市场份额 ， 其他的FPGA厂家产品主要是针对某些特定的应用 ， 比如 ， Actel公司主要生产反熔丝结构的FPGA ， 以满足应用条件极为苛刻的航空、航天领域产品 。下面介绍Altera和Xilinx两家公司的代表产品 。
Altera公司的典型产品
Altera公司的FPGA器件大致分三个系列：一是低端的Cyclone系列;二是高端的Stratix系列;三是介于二者之间可以方便ASIC化的Arriva系列 。
1. 面向高性能的Stratix系列FPGA
Stratix系列FPGA能够帮助用户以更低的风险和更高的效能尽快推出最先进的高性能产品 。结合了高密度、高性能及丰富的特性 ， Stratix系列FPGA能够集成更多的功能 ， 提高系统带宽 。Stratix系列产品代的特性是革命性的 ， 而且还在不断发展 。
Stratix II FPGA和Stratix II GX型号引入了自适应逻辑模块（ALM）体系结构 ， 采用高性能8输入分段式查找表（LUT）替代了4输入LUT 。Altera最新的高端FPGA使用了这一创新的ALM逻辑结构 ， 可批量提供Stratix II和Stratix II GX FPGA ， 还是强烈建议新设计使用它们 。
Stratix III FPGA是业界功耗最低的高性能65nm FPGA 。可以借助逻辑型（L）、存储器和DSP增强型（E）来综合考虑用户的设计资源要求 ， 而不会采用资源比实际需求大得多的器件进行设计 ， 从而节省了电路板 ， 缩短了编译时间 ， 降低了成本 。Stratix III FPGA主要面向很多应用的高端内核系统处理设计 。

典型的FPGA芯片解读
文章插图
Stratix IV FPGA在任何40nm FPGA中都是密度最大、性能最好、功耗最低的 。Stratix IV FPGA系列提供增强型（E）和带有收发器的增强型器件（GX和GT） ， 满足了无线和固网通信、军事、广播等众多市场和应用的需求 ， 这一高性能40nm FPGA系列包括同类最佳的11.3 Gbps收发器 。
在所有28nm FPGA中 ， Stratix V FPGA实现了最大带宽和最高系统集成度 ， 非常灵活 。器件系列包括兼容背板、芯片至芯片和芯片至模块功能的14.1 Gbps（GS和GX）型号 ， 以及支持芯片至芯片和芯片至模块的28G（GT）收发器型号 ， 具有一百多万LE ， 以及4 096个精度可调DSP模块 。
采用了Intel 14nm三栅极技术的Altera Stratix 10 FPGA是任何FPGA中性能最好、带宽和系统集成度最高的 ， 而且功耗非常低 。Stratix 10器件具有56Gbps收发器、28Gbps背板、浮点数字信号处理（DSP）性能 ， 支持增强IEEE 754单精度浮点 ， 单片管芯中有四百多万逻辑单元（LE） ， 支持多管芯3D解决方案 ， 包括SRAM、DRAM和ASIC 。Stratix 10 SoC是Intel 14nm三栅极晶体管技术的第一款高端SoC系列 ， 具有针对每瓦最佳性能进行了优化的下一代硬核处理器系统 。
2. 面向低成本的Cyclone系列FPGA
Cyclone系列FPGA是为了满足用户对低功耗、低成本设计的需求 ， 帮助用户更迅速地将产品推向市场 。每一代Cyclone系列FPGA都致力于解决提高集成度和性能的技术挑战 ， 降低功耗 ， 产品及上市时间的问题 ， 同时满足用户的低成本要求 。
Cyclone FPGA是第一款低成本FPGA 。对于当今需要高级功能及极低功耗的设计来说 ， 可以考虑密度更高的Cyclone IV和Cyclone III FPGA ， 这些更新的Cyclone系列将继续为用户的大批量、低成本应用提供业界最好的解决方案 。
Cyclone II FPGA从根本上针对低成本进行设计 ， 为大批量低成本应用提供用户需要的各种功能 。Cyclone II FPGA以相当于ASIC的成本实现了高性能和低功耗的目标 。
Cyclone III FPGA前所未有地帮助用户同时实现了低成本、高性能和最佳功耗 ， 大大提高了竞争力 。Cyclone III FPGA系列采用台积电（TSMC）的低功耗工艺技术制造 ， 以相当于ASIC的价格实现了低功耗的目标 。
Cyclone IV FPGA是市场上成本最低、功耗最低的FPGA ， 现在还提供收发器型号产品 。Cyclone IV FPGA系列面向对成本敏感的大批量应用 ， 以满足用户对越来越大的带宽需求 ， 同时降低了成本 。
Cyclone V FPGA为工业、无线、固网、广播和消费类应用提供市场上系统成本最低、功耗最低的FPGA解决方案 ， 该系列集成了丰富的硬核知识产权（IP）模块 ， 帮助用户以更低的系统总成本和更短的设计时间完成更多的工作 。Cyclone V系列中的SoC FPGA实现了独特的创新技术 ， 例如 ， 以硬核处理器系统（HPS）为中心 ， 采用了双核ARM CortexTM-A9 MPCoreTM处理器 ， 以及丰富的硬件外设 ， 从而降低了系统功耗和成本 ， 减小了电路板面积 。
Xilinx公司的典型产品
Xilinx的主流FPGA分为两大类：一种侧重低成本应用 ， 容量中等 ， 性能可以满足一般的逻辑设计要求 ， 如Spartan系列;另一种侧重于高性能应用 ， 容量大 ， 性能能满足各类高端应用 ， 如Virtex系列 ， 用户可以根据实际应用要求进行选择 ， 在性能可以满足的情况下 ， 优先选择低成本器件 。
1. 面向高性能的Virtex系列FPGA
Virtex系列是Xilinx的高端产品 ， 也是业界的顶级产品 ， Xilinx公司正是凭借Virtex系列产品赢得市场 ， 从而获得FPGA供应商领头羊的地位 。可以说 ， Xilinx以其Virtex系列FPGA产品引领现场可编程门阵列行业 。主要面向电信基础设施、汽车工业、高端消费电子等应用 。目前的主流芯片包括Vitrex-2、Virtex-2 Pro、Virtex-4、Virtex-5、Virtex-6和Virtex-7等种类 。
Virtex-2系列于2002年推出 ， 其采用0.15nm工艺 ， 1.5V的内核电压 ， 工作时钟可高达420MHz ， 支持20多种I/O接口标准 ， 具有完全的系统时钟管理功能 ， 且内置IP核硬核技术 ， 可以将硬IP核分配到芯片的任何地方 ， 具有比Virtex系列更多的资源和更高的性能 。
Virtex-2 Pro系列在Virtex-2的基础上 ， 增强了嵌入式处理功能 ， 内嵌了PowerPC405内核 ， 还包括了先进的主动互联（Active Interconnect）技术 ， 以解决高性能系统所面临的挑战 ， 此外 ， 还增加了高速串行收发器 ， 提供了千兆以太网的解决方案 。
Virtex-4系列是基于高级硅片组合模块（ASMBL）架构的 ， 其具有逻辑密度高 ， 时钟频率高达500 MHz;具备DCM模块、PMCD相位匹配时钟分频器、片上差分时钟网络;采用了集成FIFO控制逻辑的500MHz SmartRAM技术 ， 每个I/O都集成了ChipSync源同步技术的1 Gbps I/O和Xtreme DSP逻辑片 。设计者可以根据需求选择不同的Virtex-4子系统 ， 面向逻辑密集的设计：Virtex-4 LX ， 面向高性能信号处理应用：Virtex-4 SX ， 面向高速串行连接和嵌入式处理应用：Virtex-4 FX 。Virtex-4系列的各项指标比VirtexII均有很大程度的提高 ， 从2005年年底开始批量生产 ， 已取代VirtexII ， VirtexII-Pro ， 是Xilinx在当今高端FPGA市场中的最重要的产品 。
Virtex-5系列以最先进的65nm铜工艺技术为基础 ， 采用第二代ASMBL（高级硅片组合模块）列式架构 ， 包含五种截然不同的平台（子系列） 。每种平台都包含不同的功能配比 ， 以满足诸多高级逻辑设计的需求 。除了最先进的高性能逻辑架构外 ， Virtex-5 FPGA还包含多种硬IP系统级模块 ， 包括强大的36 Kb Block RAM/FIFO、第二代25x18 DSP Slice、带有内置数控阻抗的SelectIO技术、ChipSync源同步接口模块、系统监视器功能、带有集成DCM（数字时钟管理器）和锁相环（PLL）时钟发生器的增强型时钟管理模块及高级配置选项 。其他基于平台的功能包括针对增强型串行连接的电源优化高速串行收发器模块、兼容PCI Express的集成端点模块、三态以太网MAC （媒体访问控制器）和高性能PowerPC 440微处理器嵌入式模块 ， 这些功能使高级逻辑设计人员能够在其基于FPGA的系统中体现最高级别的性能 。
Virtex-6系列为FPGA市场提供了最新、最高级的特性 。Virtex-6 FPGA是提供软硬件组件的目标测试平台可编程硅技术基础 ， 可帮助设计人员在开发工作启动后集中精力于创新工作 。Virtex-6系列采用第三代ASMBL（高级硅片组合模块）柱式架构 ， 包括了多个不同的子系列 。本概述将介绍LXT、SXT和HXT子系列的器件 。每个子系列都包含不同的特性组合 ， 可高效满足多种高级逻辑设计需求 。除了高性能逻辑结构外 ， Virtex-6 FPGA还包括许多内置的系统级模块 。上述特性能使逻辑设计人员在FPGA系统中构建最高级的性能和功能 。Virtex-6 FPGA采用了尖端的40nm铜工艺技术 ， 为定制ASIC技术提供了一种可编程的选择方案 。Virtex-6 FPGA还为满足高性能逻辑设计人员、高性能DSP设计人员和高性能嵌入式系统设计人员的需求而提供了最佳解决方案 ， 其带来了前所未有的逻辑、DSP、连接和软微处理器功能 。
Virtex-7是2011年推出的超高端FPGA产品 ， 工艺为28nm ， 使客户在功能方面收放自如 ， 既能降低成本和功耗 ， 也能提高性能和容量 ， 从而降低低成本和高性能系列产品的开发部署投资 。此外 ， 与Virtex-6相比 ， 可确保将成本降低35% ， 且无需增量转换或工程投资 ， 从而进一步提高了生产率 。
2. 面向低成本的Spartan系列FPGA
Spartan系列适用于普通的工业、商业等领域 ， 目前主流的芯片包括Spartan-2、Spartan-2E、Spartan-3、Spartan-3A、Spartan-3E及Spartan-6等种类 。
Spartan-2在Spartan系列的基础上继承了更多的逻辑资源 ， 为达到更高的性能 ， 芯片密度高达20万系统门 。由于采用了成熟的FPGA结构 ， 支持流行的接口标准 ， 具有适量的逻辑资源和片内RAM ， 并提供灵活的时钟处理 ， 可以运行8位的PicoBlaze软核 ， 主要应用于各类低端产品中 。
Spartan-2E系列是基于Virtex-E架构 ， 具有比Spartan-2更多的逻辑门、用户I/O和更高的性能 。Xilinx还为其提供了包括存储器控制器、系统接口、DSP、通信及网络等IP核 ， 并可以运行CPU软核 ， 对DSP有一定的支持 。
Spartan-3系列是基于Virtex-II FPGA架构 ， 采用90nm技术 ， 8层金属工艺 ， 系统门数超过5百万 ， 内嵌了硬核乘法器和数字时钟管理模块 。从结构上看 ， Spartan-3将逻辑、存储器、数学运算、数字处理器处理器、I/O及系统管理资源完美地结合在一起 ， 使之有更高层次、更广泛的应用 ， 获得了商业上的成功 ， 占据了较大份额的中低端市场 。
Spartan-3E系列是在Spartan-3成功的基础上进一步改进的产品 ， 提供了比Spartan-3更多的I/O端口和更低的单位成本 ， 是Xilinx公司性价比最高的FPGA芯片 。由于更好地利用了90nm技术 ， 在单位成本上实现了更多的功能和处理带宽 ， 是Xilinx公司新的低成本产品代表 ， 是ASIC的有效替代品 ， 主要面向消费电子应用 ， 如宽带无线接入、家庭网络接入及数字电视设备等 。
Spartan-3A系列在Spartan-3和Spartan-3E平台的基础上 ， 整合了各种创新特性 ， 帮助客户极大地削减了系统总成本 。利用独特的器件DNA ID技术 ， 实现业内首款FPGA电子序列号;提供了经济、功能强大的机制来防止发生窜改、克隆和过度设计的现象;并且具有集成式看门狗监控功能的增强型多重启动特性;支持商用flash存储器 ， 有助于削减系统总成本 。
Spartan-6系列不仅拥有业界领先的系统集成能力 ， 同时还能具有适用于大批量应用的最低总成本;该系列由13个成员组成 ， 可提供的密度从3 840个逻辑单元到147 443个逻辑单元不等 。与上一代Spartan系列相比 ， 该系列功耗仅为其50% ， 且速度更快、连接功能更丰富全面 。Spartan-6系列采用成熟的45nm低功耗铜制程技术制造 ， 实现了性价比与功耗的完美平衡 ， 能够提供全新且更高效的双寄存器6输入查找表（LUT）逻辑和一系列丰富的内置系统级模块 ， 其中包括18KB Block RAM、第二代DSP48A1 Slice、SDRAM存储器控制器、增强型混合模式时钟管理模块、SelectIO技术、功率优化的高速串行收发器模块、PCI Express?兼容端点模块、高级系统级电源管理模式、自动检测配置选项 ， 以及通过AES和Device DNA保护功能实现的增强型IP安全性 。
【典型的FPGA芯片解读】 这些优异特性以前所未有的易用性为定制ASIC产品提供了低成本的可编程替代方案 。Spartan-6 FPGA可为大批量逻辑设计、以消费类为导向的DSP设计及成本敏感型嵌入式应用提供最佳解决方案 。Spartan-6 FPGA奠定了坚实的可编程芯片基础 ， 适用于可提供集成软硬件组件的目标设计平台 ， 以使设计人员在开发工作启动之初即可将精力集中到创新工作上 。
责任编辑:tzh

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