典型的FPGA芯片解讀

目前市場上FPGA芯片主要來自Xilinx公司和Altera公司，這兩家公司占據(jù)了FPGA 80%以上的市場份額，其他的FPGA廠家產(chǎn)品主要是針對某些特定的應(yīng)用，比如，Actel公司主要生產(chǎn)反熔絲結(jié)構(gòu)的FPGA，以滿足應(yīng)用條件極為苛刻的航空、航天領(lǐng)域產(chǎn)品。下面介紹Altera和Xilinx兩家公司的代表產(chǎn)品。

Altera公司的典型產(chǎn)品

Altera公司的FPGA器件大致分三個系列：一是低端的Cyclone系列;二是高端的Stratix系列;三是介于二者之間可以方便ASIC化的Arriva系列。

1. 面向高性能的Stratix系列FPGA

Stratix系列FPGA能夠幫助用戶以更低的風(fēng)險和更高的效能盡快推出最先進(jìn)的高性能產(chǎn)品。結(jié)合了高密度、高性能及豐富的特性，Stratix系列FPGA能夠集成更多的功能，提高系統(tǒng)帶寬。Stratix系列產(chǎn)品代的特性是革命性的，而且還在不斷發(fā)展。

Stratix FPGA和Stratix GX型號是Altera公司Stratix FPGA系列中最早的型號產(chǎn)品。這一高性能FPGA系列引入了DSP硬核知識產(chǎn)權(quán)（IP）模塊及Altera應(yīng)用廣泛的TriMatrix片內(nèi)存儲器和靈活的I/O結(jié)構(gòu)。

Stratix II FPGA和Stratix II GX型號引入了自適應(yīng)邏輯模塊（ALM）體系結(jié)構(gòu)，采用高性能8輸入分段式查找表（LUT）替代了4輸入LUT。Altera最新的高端FPGA使用了這一創(chuàng)新的ALM邏輯結(jié)構(gòu)，可批量提供Stratix II和Stratix II GX FPGA，還是強烈建議新設(shè)計使用它們。

Stratix III FPGA是業(yè)界功耗最低的高性能65nm FPGA?？梢越柚壿嬓停↙）、存儲器和DSP增強型（E）來綜合考慮用戶的設(shè)計資源要求，而不會采用資源比實際需求大得多的器件進(jìn)行設(shè)計，從而節(jié)省了電路板，縮短了編譯時間，降低了成本。Stratix III FPGA主要面向很多應(yīng)用的高端內(nèi)核系統(tǒng)處理設(shè)計。

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系列提供增強型（E）和帶有收發(fā)器的增強型器件（GX和GT），滿足了無線和固網(wǎng)通信、軍事、廣播等眾多市場和應(yīng)用的需求，這一高性能40nm FPGA系列包括同類最佳的11.3 Gbps收發(fā)器。

在所有28nm FPGA中，Stratix V FPGA實現(xiàn)了最大帶寬和最高系統(tǒng)集成度，非常靈活。器件系列包括兼容背板、芯片至芯片和芯片至模塊功能的14.1 Gbps（GS和GX）型號，以及支持芯片至芯片和芯片至模塊的28G（GT）收發(fā)器型號，具有一百多萬LE，以及4 096個精度可調(diào)DSP模塊。

采用了Intel 14nm三柵極技術(shù)的Altera Stratix 10 FPGA是任何FPGA中性能最好、帶寬和系統(tǒng)集成度最高的，而且功耗非常低。Stratix 10器件具有56Gbps收發(fā)器、28Gbps背板、浮點數(shù)字信號處理（DSP）性能，支持增強IEEE 754單精度浮點，單片管芯中有四百多萬邏輯單元（LE），支持多管芯3D解決方案，包括SRAM、DRAM和ASIC。Stratix 10 SoC是Intel 14nm三柵極晶體管技術(shù)的第一款高端SoC系列，具有針對每瓦最佳性能進(jìn)行了優(yōu)化的下一代硬核處理器系統(tǒng)。

2. 面向低成本的Cyclone系列FPGA

Cyclone系列FPGA是為了滿足用戶對低功耗、低成本設(shè)計的需求，幫助用戶更迅速地將產(chǎn)品推向市場。每一代Cyclone系列FPGA都致力于解決提高集成度和性能的技術(shù)挑戰(zhàn)，降低功耗，產(chǎn)品及上市時間的問題，同時滿足用戶的低成本要求。

Cyclone FPGA是第一款低成本FPGA。對于當(dāng)今需要高級功能及極低功耗的設(shè)計來說，可以考慮密度更高的Cyclone IV和Cyclone III FPGA，這些更新的Cyclone系列將繼續(xù)為用戶的大批量、低成本應(yīng)用提供業(yè)界最好的解決方案。

Cyclone II FPGA從根本上針對低成本進(jìn)行設(shè)計，為大批量低成本應(yīng)用提供用戶需要的各種功能。Cyclone II FPGA以相當(dāng)于ASIC的成本實現(xiàn)了高性能和低功耗的目標(biāo)。

Cyclone III FPGA前所未有地幫助用戶同時實現(xiàn)了低成本、高性能和最佳功耗，大大提高了競爭力。Cyclone III FPGA系列采用臺積電（TSMC）的低功耗工藝技術(shù)制造，以相當(dāng)于ASIC的價格實現(xiàn)了低功耗的目標(biāo)。

Cyclone IV FPGA是市場上成本最低、功耗最低的FPGA，現(xiàn)在還提供收發(fā)器型號產(chǎn)品。Cyclone IV FPGA系列面向?qū)Τ杀久舾械拇笈繎?yīng)用，以滿足用戶對越來越大的帶寬需求，同時降低了成本。

Cyclone V FPGA為工業(yè)、無線、固網(wǎng)、廣播和消費類應(yīng)用提供市場上系統(tǒng)成本最低、功耗最低的FPGA解決方案，該系列集成了豐富的硬核知識產(chǎn)權(quán)（IP）模塊，幫助用戶以更低的系統(tǒng)總成本和更短的設(shè)計時間完成更多的工作。Cyclone V系列中的SoC FPGA實現(xiàn)了獨特的創(chuàng)新技術(shù)，例如，以硬核處理器系統(tǒng)（HPS）為中心，采用了雙核ARM CortexTM-A9 MPCoreTM處理器，以及豐富的硬件外設(shè)，從而降低了系統(tǒng)功耗和成本，減小了電路板面積。

Xilinx公司的典型產(chǎn)品

Xilinx的主流FPGA分為兩大類：一種側(cè)重低成本應(yīng)用，容量中等，性能可以滿足一般的邏輯設(shè)計要求，如Spartan系列;另一種側(cè)重于高性能應(yīng)用，容量大，性能能滿足各類高端應(yīng)用，如Virtex系列，用戶可以根據(jù)實際應(yīng)用要求進(jìn)行選擇，在性能可以滿足的情況下，優(yōu)先選擇低成本器件。

1. 面向高性能的Virtex系列FPGA

Virtex系列是Xilinx的高端產(chǎn)品，也是業(yè)界的頂級產(chǎn)品，Xilinx公司正是憑借Virtex系列產(chǎn)品贏得市場，從而獲得FPGA供應(yīng)商領(lǐng)頭羊的地位?？梢哉f，Xilinx以其Virtex系列FPGA產(chǎn)品引領(lǐng)現(xiàn)場可編程門陣列行業(yè)。主要面向電信基礎(chǔ)設(shè)施、汽車工業(yè)、高端消費電子等應(yīng)用。目前的主流芯片包括Vitrex-2、Virtex-2 Pro、Virtex-4、Virtex-5、Virtex-6和Virtex-7等種類。

Virtex-2系列于2002年推出，其采用0.15nm工藝，1.5V的內(nèi)核電壓，工作時鐘可高達(dá)420MHz，支持20多種I/O接口標(biāo)準(zhǔn)，具有完全的系統(tǒng)時鐘管理功能，且內(nèi)置IP核硬核技術(shù)，可以將硬IP核分配到芯片的任何地方，具有比Virtex系列更多的資源和更高的性能。

Virtex-2 Pro系列在Virtex-2的基礎(chǔ)上，增強了嵌入式處理功能，內(nèi)嵌了PowerPC405內(nèi)核，還包括了先進(jìn)的主動互聯(lián)（Active Interconnect）技術(shù)，以解決高性能系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，此外，還增加了高速串行收發(fā)器，提供了千兆以太網(wǎng)的解決方案。

Virtex-4系列是基于高級硅片組合模塊（ASMBL）架構(gòu)的，其具有邏輯密度高，時鐘頻率高達(dá)500 MHz;具備DCM模塊、PMCD相位匹配時鐘分頻器、片上差分時鐘網(wǎng)絡(luò);采用了集成FIFO控制邏輯的500MHz SmartRAM技術(shù)，每個I/O都集成了ChipSync源同步技術(shù)的1 Gbps I/O和Xtreme DSP邏輯片。設(shè)計者可以根據(jù)需求選擇不同的Virtex-4子系統(tǒng)，面向邏輯密集的設(shè)計：Virtex-4 LX，面向高性能信號處理應(yīng)用：Virtex-4 SX，面向高速串行連接和嵌入式處理應(yīng)用：Virtex-4 FX。Virtex-4系列的各項指標(biāo)比VirtexII均有很大程度的提高，從2005年年底開始批量生產(chǎn)，已取代VirtexII，VirtexII-Pro，是Xilinx在當(dāng)今高端FPGA市場中的最重要的產(chǎn)品。

Virtex-5系列以最先進(jìn)的65nm銅工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，采用第二代ASMBL（高級硅片組合模塊）列式架構(gòu)，包含五種截然不同的平臺（子系列）。每種平臺都包含不同的功能配比，以滿足諸多高級邏輯設(shè)計的需求。除了最先進(jìn)的高性能邏輯架構(gòu)外，Virtex-5 FPGA還包含多種硬IP系統(tǒng)級模塊，包括強大的36 Kb Block RAM/FIFO、第二代25x18 DSP Slice、帶有內(nèi)置數(shù)控阻抗的SelectIO技術(shù)、ChipSync源同步接口模塊、系統(tǒng)監(jiān)視器功能、帶有集成DCM（數(shù)字時鐘管理器）和鎖相環(huán)（PLL）時鐘發(fā)生器的增強型時鐘管理模塊及高級配置選項。其他基于平臺的功能包括針對增強型串行連接的電源優(yōu)化高速串行收發(fā)器模塊、兼容PCI Express的集成端點模塊、三態(tài)以太網(wǎng)MAC （媒體訪問控制器）和高性能PowerPC 440微處理器嵌入式模塊，這些功能使高級邏輯設(shè)計人員能夠在其基于FPGA的系統(tǒng)中體現(xiàn)最高級別的性能。

Virtex-6系列為FPGA市場提供了最新、最高級的特性。Virtex-6 FPGA是提供軟硬件組件的目標(biāo)測試平臺可編程硅技術(shù)基礎(chǔ)，可幫助設(shè)計人員在開發(fā)工作啟動后集中精力于創(chuàng)新工作。Virtex-6系列采用第三代ASMBL（高級硅片組合模塊）柱式架構(gòu)，包括了多個不同的子系列。本概述將介紹LXT、SXT和HXT子系列的器件。每個子系列都包含不同的特性組合，可高效滿足多種高級邏輯設(shè)計需求。除了高性能邏輯結(jié)構(gòu)外，Virtex-6 FPGA還包括許多內(nèi)置的系統(tǒng)級模塊。上述特性能使邏輯設(shè)計人員在FPGA系統(tǒng)中構(gòu)建最高級的性能和功能。Virtex-6 FPGA采用了尖端的40nm銅工藝技術(shù)，為定制ASIC技術(shù)提供了一種可編程的選擇方案。Virtex-6 FPGA還為滿足高性能邏輯設(shè)計人員、高性能DSP設(shè)計人員和高性能嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員的需求而提供了最佳解決方案，其帶來了前所未有的邏輯、DSP、連接和軟微處理器功能。

Virtex-7是2011年推出的超高端FPGA產(chǎn)品，工藝為28nm，使客戶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，從而降低低成本和高性能系列產(chǎn)品的開發(fā)部署投資。此外，與Virtex-6相比，可確保將成本降低35%，且無需增量轉(zhuǎn)換或工程投資，從而進(jìn)一步提高了生產(chǎn)率。

2. 面向低成本的Spartan系列FPGA

Spartan系列適用于普通的工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域，目前主流的芯片包括Spartan-2、Spartan-2E、Spartan-3、Spartan-3A、Spartan-3E及Spartan-6等種類。

Spartan-2在Spartan系列的基礎(chǔ)上繼承了更多的邏輯資源，為達(dá)到更高的性能，芯片密度高達(dá)20萬系統(tǒng)門。由于采用了成熟的FPGA結(jié)構(gòu)，支持流行的接口標(biāo)準(zhǔn)，具有適量的邏輯資源和片內(nèi)RAM，并提供靈活的時鐘處理，可以運行8位的PicoBlaze軟核，主要應(yīng)用于各類低端產(chǎn)品中。

Spartan-2E系列是基于Virtex-E架構(gòu)，具有比Spartan-2更多的邏輯門、用戶I/O和更高的性能。Xilinx還為其提供了包括存儲器控制器、系統(tǒng)接口、DSP、通信及網(wǎng)絡(luò)等IP核，并可以運行CPU軟核，對DSP有一定的支持。

Spartan-3系列是基于Virtex-II FPGA架構(gòu)，采用90nm技術(shù)，8層金屬工藝，系統(tǒng)門數(shù)超過5百萬，內(nèi)嵌了硬核乘法器和數(shù)字時鐘管理模塊。從結(jié)構(gòu)上看，Spartan-3將邏輯、存儲器、數(shù)學(xué)運算、數(shù)字處理器處理器、I/O及系統(tǒng)管理資源完美地結(jié)合在一起，使之有更高層次、更廣泛的應(yīng)用，獲得了商業(yè)上的成功，占據(jù)了較大份額的中低端市場。

Spartan-3E系列是在Spartan-3成功的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)的產(chǎn)品，提供了比Spartan-3更多的I/O端口和更低的單位成本，是Xilinx公司性價比最高的FPGA芯片。由于更好地利用了90nm技術(shù)，在單位成本上實現(xiàn)了更多的功能和處理帶寬，是Xilinx公司新的低成本產(chǎn)品代表，是ASIC的有效替代品，主要面向消費電子應(yīng)用，如寬帶無線接入、家庭網(wǎng)絡(luò)接入及數(shù)字電視設(shè)備等。

Spartan-3A系列在Spartan-3和Spartan-3E平臺的基礎(chǔ)上，整合了各種創(chuàng)新特性，幫助客戶極大地削減了系統(tǒng)總成本。利用獨特的器件DNA ID技術(shù)，實現(xiàn)業(yè)內(nèi)首款FPGA電子序列號;提供了經(jīng)濟、功能強大的機制來防止發(fā)生竄改、克隆和過度設(shè)計的現(xiàn)象;并且具有集成式看門狗監(jiān)控功能的增強型多重啟動特性;支持商用flash存儲器，有助于削減系統(tǒng)總成本。

Spartan-6系列不僅擁有業(yè)界領(lǐng)先的系統(tǒng)集成能力，同時還能具有適用于大批量應(yīng)用的最低總成本;該系列由13個成員組成，可提供的密度從3 840個邏輯單元到147 443個邏輯單元不等。與上一代Spartan系列相比，該系列功耗僅為其50%，且速度更快、連接功能更豐富全面。Spartan-6系列采用成熟的45nm低功耗銅制程技術(shù)制造，實現(xiàn)了性價比與功耗的完美平衡，能夠提供全新且更高效的雙寄存器6輸入查找表（LUT）邏輯和一系列豐富的內(nèi)置系統(tǒng)級模塊，其中包括18KB Block RAM、第二代DSP48A1 Slice、SDRAM存儲器控制器、增強型混合模式時鐘管理模塊、SelectIO技術(shù)、功率優(yōu)化的高速串行收發(fā)器模塊、PCI Express?兼容端點模塊、高級系統(tǒng)級電源管理模式、自動檢測配置選項，以及通過AES和Device DNA保護(hù)功能實現(xiàn)的增強型IP安全性。

這些優(yōu)異特性以前所未有的易用性為定制ASIC產(chǎn)品提供了低成本的可編程替代方案。Spartan-6 FPGA可為大批量邏輯設(shè)計、以消費類為導(dǎo)向的DSP設(shè)計及成本敏感型嵌入式應(yīng)用提供最佳解決方案。Spartan-6 FPGA奠定了堅實的可編程芯片基礎(chǔ)，適用于可提供集成軟硬件組件的目標(biāo)設(shè)計平臺，以使設(shè)計人員在開發(fā)工作啟動之初即可將精力集中到創(chuàng)新工作上。
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