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FPGA应用触角延伸,走向平台化

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作者:电子产品世界,何金玉时间:2006-04-30来源:收藏

    FPGA的触角愈来愈深入各应用领域,新开始的ASIC 设计项目已下降到每年 2000 个以下,而新开始的FPGA 设计已经增长到每年 80000 个以上。很明显的趋势是:未来FPGA厂商将从消费类和汽车电子领域获得可观的市场份额;基于FPGA的DSP功能设计将迅速增加;结构化ASIC以及平台化FPGA器件正在改变固有的设计模式。

低成本FPGA
    ASIC掩膜成本的上升使FPGA在低于50万片的中小批量项目中更具优势。如今量产型低成本FPGA,例如Altera的Cyclone系列和Xilinx的Spartan系列价格越来越低,FPGA在很多成本敏感的市场上与ASIC平分秋色,未来几年汽车和消费类电子将是FPGA最期待的应用所在。
去年3月Xilinx发布了Spartan-3E系列,成本比Spartan刚推出时下降了30倍,而且售价不到两美元。Xilinx中国/香港区经理陆绍强表示,去年底,最新的五款Spartan-3E系列已经全部量产,从提供样片到完全量产只花了9个月时间。Spartan系列的累计收入超过了13亿美元,现在占到Xilinx季度销售额的24%以上。Spartan-3E可以被看作是消费电子用途的FPGA, Xilinx正在加大向机顶盒、DVD播放器、PDP显示器和HDTV等中等批量、消费类产品市场的交付数量。
此外,Xilinx新推出了采用90nm工艺的Spartan-3E XA车用FPGA产品线,进一步降低了每系统门成本,Spartan-3E和Spartan-3E XA具有适合消费类和汽车电子产品的友好特征,例如,支持通用I/O标准,包括PCI 64/66、PCI-X 100、LVD-FPD连接、RSDS、mini-LVDS和DRAM接口等。例如Spartan-3E所支持的最小LVDS和RSDS标准允许工程师在视频设计中去掉分立的驱动器。
    Altera在2002年底推出了低成本FPGA的主打产品—Cyclone系列, 随后又推出了CycloneⅡ系列,容量比第一代产品增大了三倍以上,速度提升了75%。Cyclone系列FPGA出货量在短短的两年多时间内已超过1,000万个,成为该公司历史上增长最快的产品,其中至少一半进入了消费类电子领域。
    Altera对汽车市场也寄予厚望,Altera亚太区市场总监梁乐观认为,该市场将在2007年进入全面电子化,特别是驾驶仓控制的电子化会对系统芯片的需求大幅增加,CycloneⅡ组合NiosⅡ系列嵌入式处理器,能够实现完整的可编程系统芯片(SOPC)功能,ASIC和ASSP厂商不会马上提供相应的产品,这是向汽车厂商推广SOPC的大好机会。
    Actel的ProASIC3系列是基于闪存的FPGA,Actel公司产品事务总监Martin Mason表示,ProASIC3 系列可以具有更好的安全性,同时拥有上电即用的优势,因此需要的板级器件很少,可以降低消费类产品的整体系统成本。对于汽车应用来说,基于闪存的FPGA拥有极佳的热性能指标,可靠性也更高。
    Lattice刚刚推出了低成本的LatticeECP2系列FPGA,在大批量的情况下,价格降到每1000查找表(LUT)低于0.50美元。LatticeECP2增加了防止非法复制的措施,器件有片上非易失密钥存储器和解密电路,能用唯一的用户密钥对128位AES加密位流解密。

结构化ASIC
    结构化ASIC的设计正在兴起,这种产品可以看作是FPGA与标准单元ASIC整合的折衷方案,其优点在于可以实现ASIC的性能,开发时间缩短了6到9个月,成本只有FPGA原型的十分之一。Altera的HardCopy和HardCopy II 是结构化ASIC的典型代表。用户可以采用Stratix II FPGA进行原型设计和测试,然后再移植到HardCopy II器件上。
    HardCopy瞄准的目标市场包括显示、通信和存储等等,目前基于HardCopy的设计正在持续增长中,Altera希望可以满足每年至少100次投片试产的需求。
但是,其它FPGA供应商并不认同结构化ASIC的方案,例如,Xilinx无意进入结构化 ASIC 市场,相反,Xilinx提供一种称为 EasyPath的客户专用FPGA。EasyPath FPGA类似于基础级FPGA,只用少量金属掩膜就可以实现编程。在FPGA按照Xilinx专利的测试方法完成测试之后,仍然可以修改I/O和查找表。
    一旦客户认为他们的设计已经确定并且不再需要FPGA的完全可编程性,客户就可使用EasyPath FPGA导入量产,不需要从FPGA原型到ASIC或结构化 ASIC的转换过程,没有转换差异或芯片差异。EasyPath FPGA可支持 20K 到200K门逻辑单元,从设计转到批量生产只需要两个月左右的时间。
    Martin Mason认为,如果将整体项目成本纳入考虑范围,Actel的ProASIC3 系列便能与结构化ASIC一争长短。ProASIC3器件可于系统内编程,且是唯一能支持软ARM7内核的FPGA。
同样为了争夺结构化ASIC的市场,Lattice在最新的LatticeSC FPGA中增加了低成本优化(MACO)的掩膜阵列,每一片LatticeSC FPGA中嵌入了12个结构化的ASIC模块,称为MACO模块。每个MACO模块大约有5万个ASIC门可用来实现IP内核。Lattice正在计划推出一系列LatticeSC器件,这些器件将包含预制的、基于MACO模块的多种高速通信协议和存储控制IP内核。
可见,结构化ASIC和客户专用FPGA都是降低成本的可取方法,有利于FPGA扩大应用规模。

基于FPGA的DSP方案
    在FPGA中包含DSP的设计变得越来越普遍,FPGA通过加速DSP算法的关键部分,可以补充传统DSP处理器的不足。
    特别是多媒体音视频和高速数字通信这两个领域对数字信号处理能力的需求提升很快,诸如新出现的H.264编解码算法以及WiMAX宽带无线网络标准,大都需要多通道实时处理能力和高复杂性算法,这些标准或算法的演进也给了FPGA用武之地,FPGA可以用作DSP的预处理器或协处理器,分担DSP的处理任务。
    Altera率先在StratixⅡ中添加了嵌入式DSP模块,StratixⅡ包含的专用乘法器可以加快乘累加操作的速度,这对许多DSP系统设计来说非常必要。另外StratixⅡ的逻辑单元也能够实现乘法器和DSP功能。CycloneⅡ 器件内部的嵌入式乘法器更适合低成本的DSP应用,Altera也同样提供MegaCore系列DSP IP 和DSP Builder开发工具。
    Xilinx去年在DSP方面的资金投入增加了30~40%,特别制定了XtremeDSP路线图,最初的目标市场是数字通信、多媒体、视频和成像(MVI)以及防御系统领域,它们的总和构成了超过80%的高性能DSP市场。 XtremeDSP计划中的器件包括Xilinx较早之前推出的具有DSP功能和嵌入式乘法器的VirtexⅡ和VirtexⅡPro FPGA,2004年推出的低成本Spartan-3器件也包含了嵌入式乘法器,适合在大批量的场合用做DSP协处理器。最新的Virtex-4 SX FPGA专为DSP功能做了优化,性能比之前的VirtexⅡPro FPGA超出两倍多,功耗只有VirtexⅡ Pro FPGA的1/7。Xilinx表示今后将注重DSP架构器件在性能、成本以及应用方面的优化。 
    Xilinx已经推出了XtremeDSP MVI解决方案的第一款产品,这个全新的视频协处理套件的子卡基于Virtex-4 SX35 FPGA,每秒可处理77GMAC,可以帮助扩展TI DM642处理器的图象增强以及视频编解码能力,同时Xilinx也在不断更新针对DSP算法的软件工具和DSP IP库。

平台化FPGA
    Xilinx推出的第三代Virtex器件Virtex II Pro系列引入了平台化FPGA的概念,集成了可编程逻辑、存储器、时钟资源以及PowerPC处理器和千兆位高速串行I/O。第四代的90nm工艺的 Virtex-4多平台FPGA的3个系列器件分别增强了逻辑、信号处理、高速串行连接和嵌入式处理的性能,与上一代器件相比性能提升了两倍,功耗降低了50%。
    除了集成软或硬处理器内核以及DSP功能,平台化FPGA的显著变化是增加了对高速串行连接的支持。例如集成622Mbps~10.3125Gbps串行收发器的Xilinx Virtex-4 FX60就支持目前所有流行的串行协议标准,包括PCI Express、串行RapidIO、千兆以太网和光纤信道。
    Altera发布了第三代带有嵌入式收发器的StratixⅡGX系列FPGA,Stratix II GX串行收发器的工作速率在622Mbps~6.375Gbps之间,同样支持多种协议标准。Altera将Stratix II GX定位在6.375Gbps而不是10Gbps,对此Altera的观点是,目前单通道收发器协议要求的最佳范围是1Gbps~5Gbps,在今后三年内将变成3.125Gbps~6.375Gbps,只有很少的用户会实际使用到10Gbps的速率,但是实现10Gbps的性能需要在管芯、功耗和信号完整性上付出代价。因此对于那些少量应用10Gbps的场合,可以同时采用几个高速收发器。
    Martin Mason表示,Actel的兴趣在模拟和混合信号领域,为此,Actel于去年底推出了Fusion系列FPGA,这是一种能将混合信号的模拟功能、闪存以及FPGA结构集成在一起的单片可编程系统芯片。
    Fusion的硬件模块包括模拟IP和闪存。其中,模拟IP可以根据具体的应用进行设置;其次是软核,包括可配置的MCU(可以是ARM内核或者是8051)。在物理结构中,最有特色的是沟通各种外设的"融合主干"总线,连接了模拟IP、闪存、FPGA架构中的外设、系统应用以及MCU。 
    Martin Mason强调,Fusion的独特之处在于将可编程逻辑带入了目前只能采用分立模拟元件和混合信号ASIC的应用领域,例如电源管理、智能电池充电、时钟生成和管理及电机控制等等,而Fusion器件在成本和灵活性方面的优势非常突出。相信平台化的产品也是未来FPGA发展的趋势所至。


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