virterx技术白皮书

随着Virtex系列在片上系统（SoC）应用中的广泛应用,赛灵思（Xilinx）公司引入了平台FPGA（Platform FPGA）的概念。作为领先的可编程逻辑供应商，赛灵思公司利用其基于Virtex的支持可编程逻辑、I/O和计算处理的多功能器件，帮助业界涉足并确立了基于FPGA的SoC设计方法。通过实现大量基于FPGA的RISC处理器和处理器内核，赛灵思在这方面已经证实了自己的实力。最早的例子是于1991年实现Philip Freidin的RISC4005/R16 FPGA处理器。Virtex-II PRO™ 中的Power PC 硬处理器以及所有Virtex FPGA器件都支持的MicroBlaze软处理器内核的推出终于使平台FPGA概念完全成为现实。

由于平台FPGA具有灵活的部件集成能力，集成了可编程I/O、功能全面的时钟，同时显著降低了总体设计成本，因此平台FPGA迅速替代了大量ASIC SOC设计。此外，高性能RISC CPU、 内部RAM块、千兆位高速串行I/O、专用DSP逻辑以及其它系统增强技术的发展，更进一步巩固了平台FPGA超越与之竞争的ASIC SoC器件这一趋势。

架构优势

为使下一代Virtex-4系列具有全面的优势并且进一步大大降低其成本结构，赛灵思公司创造了崭新的架构体系——先进的硅组合模块（ASMBL）架构。作为第四代Virtex FPGA ( Virtex-4 )的基础，ASMBL架构使得赛灵思公司能够低成本高效率地发展多种平台FPGA,而且每种平台FPGA都具备不同的功能特性组合。Virtex-4结合了独特的先进的架构优点，使得平台FPGA革命性的进入了新领域。ASMBL架构使得FPGA在历史上第一次，可根据多种目标应用所需要的功能和/或成本进行多方面的应用优化。

ASMBL这一革命性的平台FPGA概念支持创建不同的功能平台，不同的功能平台中各种的基本功能的比例确定了针对的目标领域（domain）。在Virtex-4 FPGA系列中，最初推出的三个平台主要针对四个应用领域，分别是逻辑领域、DSP领域、高速互连功能领域和嵌入式处理领域。每个平台都有多款规模不同的器件，同一平台中的器件具有大致相同的功能特性组合比例。根据目标应用的成本要求和功能要求，每种器件针对多个应用分类和子分类。器件与应用之间的这种对应关系，------ 意味着一个标准平台器件可以满足范围广泛的特定应用。

很明显的是，业界非常需要具有优化功能组合的多种平台FPGA器件。然而，最终的器件并不一定是完全专用的。由于此类平台FPGA器件可以优化满足大量不同应用的成本和功能特性组合要求，因此能灵活地适应多种应用。此外，采用先进的倒装工艺封装提供了明显的电源和地分布优势，这对于90nm技术是非常重要的，同时此技术还大大改善了平台器件的可编程布线能力。这也意味着平台FPGA器件能够以成本效率最高的方式最佳地满足应用要求，而过去通常只有ASIC、ASSP或其他类似器件才能做到这一点。

“总体成本”优势

技术领先的ASIC和ASSP研发成本很高且设计时间漫长，这一特点迫使它们主要只能应用于经过验证的低风险特大批量应用。ASIC开发成本的迅速上涨更加突显出在领先应用和高风险应用中使用功能越来越强大的平台FPGA的优势。而这正是赛灵思在未来一代器件系列中所努力开拓的。赛灵思公司同时推出三个系列的平台FPGA器件极大地增加了满足特定价位点的应用需求时设计人员的选择范围和灵活性，而且肯定会加快平台FPGA扩展到更多应用领域中的速度。

FPGA赢得初始设计的另一项不容易被注意到的方面是，预计的目标应用批量通常达不到值得将FPGA设计转换为ASIC或标准单元技术的程度。FPGA零NRE成本所带来的总体成本优势，使得FPGA 对比大批量ASIC或ASSP有优势的总成本批量交叉点进一步上移，从而使得情况前所未有地对FPGA更为有利。对于设计固定后需要更大批量产品的客户来说，他们发现利用赛灵思 EasyPath计划可以使器件成本在量产上进一步降低25%至75%。EasyPatch利用基于客户设计的专门测试文件对器件进行测试。测试过程中仅测试和通过大批量设计文件中使用到器件资源、逻辑和互连资源。这样就降低了测试时间，提高了产量，降低了交付给用户的器件的总成本，并使得用户可以毫无风险地过渡到成本更低的解决方案。

来自iSupply、Gartner Dataquest以及其它来源的业界新闻和报告都确认了这个趋势，即随着时间发展，新启动的ASIC设计越来越少，而FPGA赢得的设计数量则越来越多。因此，随着下一代平台FPGA器件将更多的应用领域定义为目标应用，以及推出更多具革命性的FPGA平台器件，下一代平台FPGA器件将会越来越多的成为硬件芯片的首选，同时ASIC的新设计也会越来越少。

十年的迅速发展

在过去十年，赛灵思FPGA的功能呈指数式飞速提升，这也展示了Virtex-4系列所带来的极大影响。器件容量提高了250多倍，时钟频率提高了25倍，而存储器带宽和I/O带宽则分别提高了800多倍和1,000多倍。归一化的器件成本（价格）降低了300多倍。与其它硅硬件解决方案相比，FPGA的普及程度越来越高也成为明显的趋势：DSP和RISC处理器供应商承认80%以上的板级设计都使用FPGA器件来提供必需的系统级设计灵活性。

开发ASMBL架构的主要目的就是要降低成本，Virtex-4系列体现了这一目的。不断降低成本以及适用于更广泛的应用是FPGA发展的明确趋势。在成本方面，一个关键但又经常被忽略的因素是实际使用FPGA器件资源的方式；没有两个人会以同样方式使用技术、系统或软件，通常人们所需要的内容也各不相同。这一事实表明可演化的硬件平台，能够支持个性化的大众市场。Virtex-4进一步将可演化硬件的概念扩展为满足标准产品成本限制的硬件平台，即单个Virtex-4系列包括多种平台FPGA。

ASMBL的条带式设计模式

ASMBL架构最创新的地方是其器件设计效率，即首先设计出少量功能确定的90nm硅硬件列（比较困难的地方），然后再高效地重复利用它们（较简单的任务）来创建出多种多样的器件。赛灵思设计人员可以改变不同功能列的数量和比例来创建一个不同规模的FPGA器件平台或者系列。根据应用所需要的功能属性类型，每种（每个系列）器件最适合于特定类型的应用。特别需要指出的是，就象目前的平台FPGA器件一样，针对特定领域的FPGA系列器件并不是仅仅只能应用于特定的应用领域，因为器件本身内在的灵活性使其可适用于许多不同类型的应用。只不过开始开发时瞄准的是最初的应用领域而已。

Virtex-4：一个系列——多个平台

赛灵思公司通过精心设计的专门流程来确定满足特定客户应用要求的优化功能特性组合。这些组合定义了主要的处理架构类型并由此而确定出逻辑、DSP、高速互连以及嵌入式处理等几个应用领域。Virtex-4的三个平台所具备的基本功能特性比例可满足这四个领域的需要。

所有Virtex-4平台FPGA所共同拥有的是高度灵活的“可编程逻辑”以及其可编程互连资源和I/O结构。对于特定的平台来说，独特的地方在于这些逻辑资源如何与其它特殊功能如RAM, DSP blocks, and I/O配合使用。按照不同的比例组合，各种功能特性就可以创建出适合特定类型的通用处理任务的FPGA平台。无论哪种类型的通用处理任务，实际上适用于相当广泛的多种应用。Virtex-4系列所包括的其它增强功能还有新的DCM™ 数字时钟管理功能块和高速差分时钟树；新的同时更快的块状RAM可以被配置成FIFO；加强型PowerPC405内核带有辅助处理器单元（APU）用于在CPU和逻辑资源间提供直接的接口；改进的源同步接口具备1 Gbps并行I/O 能力；串行收发器支持0.6-11.1 Mbps 速率范围同时带有灵活的DFE接收均衡器；以及用于最高性能数字信号处理的具有乘累加（MAC）运算功能的增强型XtremeDSP单元。各种系统特性都匹配到500MHz时钟频率，根除了系统设计中的瓶颈。

应用领域优化的平台FPGA

Virtex-4系列具有三个平台：用于高性能和高密度逻辑综合应用的LX平台，用于高性能信号处理的SX平台，用于全功能处理和SoC 嵌入式设计连接应用的FX平台。根据应用的成本和性能要求，三个平台中的任何一款器件都适用于数量众多的应用。尽管Virtex-4平台是针对特定领域或者特定应用分类而优化，所有类型的器件都支持多种应用。

某一种应用或其计算处理架构可能适合采用一个特定的FPGA平台，但这并不意味着该FPGA平台总是最适合选择。让我们举一个很好的例子，使用逻辑资源来实现一些算法看起来更适合采用面向逻辑领域（LX）的平台器件，但同样的算法也可以在面向DSP(SX)或面向系统(FX)的器件中实现。同样，需要简单控制处理器的应用并不一定非要采用系统领域型FPGA器件（FX）。在DSP型(SX)或逻辑型器件(LX)中实现一个软处理器内核（如MicroBlaze），同样可能满足应用要求。

Virtex-4 LX——面向逻辑优化的平台

最通用的系列是Virtex-4 LX，即逻辑优化的FPGA平台系列。LX系列功能上与早期的Virtex-II器件类似，没有较新的Virtex-II Pro™ 器件中所嵌入的PowerPC处理器或高速串行I/O。所有类型的软IP内核都可在这一平台的器件中实现，包括各种各样的DSP模块和软件处理器内核，如MicroBlaze或PicoBlaze。该平台的最主要优点是使用了高度集成的通用逻辑单元，从而使其成为成本效率最高的逻辑平台。

Virtex-4 LX平台将包括多款从小规模至大规模的成员器件，从而使其可适用于多种应用。该系列的逻辑密度将会比目前FPGA器件提高一倍。在300mm晶圆上应用先进的90nm制造技术所带来的成本优势，再加上采用成本效率高的器件封装，将保证这一平台获得广泛的接受。与前一代平台FPGA相比更高的时钟频率和更低的功耗将使LX平台更适用于做为替代ASIC的解决方案。

Virtex-4 SX——面向信号处理优化的平台

Virtex-4 SX信号处理/DSP平台器件系列中提高了DSP以及RAM单元与逻辑单元的比例。功能模块比例的改变使得这一FPGA平台器件用于高速信号处理时比其它Virtex-4平台占用的裸片面积更小。在此基础上再结合新的DSP逻辑单元，使得可以在Virtex-4 SX平台器件中实现最高性能DSP的同时，成本效率最高。

具备了显著提高的DSP带宽，与先前Virtex-II Pro器件相比又大大降低了功耗，使得Virtex-4 SX平台提供了比其他任何器件都高的单位成本DSP性能。每个DSP逻辑单元可实现一个工作时钟频率达500 MHz的18bit X 18bit MAC。 Virtex-4 DSP专用增强特性包括增加新的工作模式和功能，再与SX平台架构的其它优化相结合，可支持功能更强大的高级DSP IP。

Virtex-4 FX——全功能平台

Virtex-4 FX全功能平台系列中提供了PowerPC和高速系列收发器。先进的架构、功能特性和制造工艺的结合使得处理器时钟可高达450 MHz。再配合支持从600Mbps到11.1 Gbps 之间任何速度的高速串行收发器，FX系列成为功能极为强大的高性能平台FPGA系列，可满足嵌入式计算处理以及高速互连应用领域的要求。

FX平台集成的高级系统特性对于电信、存储和网络领域以及其它需要高性能处理和大带宽I/O的多种应用来说非常有用。根据系统行为，这些应用可以分为两大领域。嵌入式计算处理领域主要以涉及复杂数据类型的控制流操作为特征。连接应用领域则涉及基于消息的计算处理，并且主要以异步数据流操作为主。Virtex-4全功能平台器件最适合实现这两个领域中的应用。

全面的系统互连功能平台

整个Virtex-4系列具有多样的可编程I/O能力组合，从而形成一个全面系统互连功能平台。此外，赛灵思公司在制定新业界标准方面处于领导地位，比如创办UXPI标准组织（参看www.uxpi.org）。Virtex-4互连功能平台建立在Virtex-II Pro所获得的突破性成功基础之上。Virtex-II Pro成功实现了高级电信计算架构（ATCA或AdvancedTCA™）以及PCI Express高级交换（AS）标准。

Virtex-4 FX特别适用于必须使用最新的高速串行背板技术，成本效率要求又很高的高端应用。成熟的黑箱式IP、功能极强大的Virtex-4 FX平台以及积极参与大量标准团体的工作，使得赛灵思公司在为业界确立新I/O标准方面扮演了一个重要角色。比如，赛灵思公司成功地在基于Virtex的开发平台上结合了AdvancedTCA™、电信级Linux以及PCI Express AS，并且在支持全网状交换解决方案的开发方面扮演了重要角色。赛灵思公司的eSP网络门户展示了最新的Virtex互连功能平台，可以为业界最先进的I/O技术提供关键支持。

具有应用适应性的领先IC技术

业界对成本效率更高及具有更强应用适应性器件的需求，促使赛灵思公司一次推出了三个不同的Virtex-4平台。新推出的Virtex-4平台FPGA在功能和价值方面都达到了最大化。用户可以利用Virtex-4平台FPGA实现范围广泛的软IP和多种处理器内核。

客户反馈表明用户已经能够更智能、更高效地使用FPGA可编程构造来完成不同的协处理功能，包括在现场修改性能或功能要求的适应能力。Virtex-4系列所提供的这样一种灵活硬件平台的普遍吸引力将会极大地扩展FPGA的应用范围，使FPGA可应用于更为广泛的系统设计中。

Virtex-4平台所提供的这种对应用处理类型的控制或选择能力是设计人员从来没有拥有过的。在实现范围广泛的计算处理功能时，也提供了无与伦比的巨大灵活性—— 可以在PowerPC中、在协处理器中实现任何计算处理功能组合，或者直接在硬件中实现所需要的算法。通过根据性能需求，合理的将控制和数据功能进行划分，可以打破控制和数据平面间的传统界限。

利用多个Virtex-4平台，创建针对特定应用领域而优化的应用子系统的能力，提供了独特的灵活性，这也为FPGA确立了更高的标准。硬件和软件同时可编程的FPGA器件能够比ASIC或ASSP更灵活地实现所需要的设计。

改变设计架构研究和设计流程

传统上比较固定的系统设计和ASIC设计流程也将会随着功能越来越强大的平台FPGA器件的推出而被改变。Virtex-4 FPGA的价值定位非常明确，即以最低的成本提供最强大的功能。此外，这些器件以及相关的工具对硬件平台开发流程亦造成重大的影响。现在，设计人员可以在开发流程中的任何时间重新考虑、修改或增强系统架构，因此他们拥有了可以满足应用要求的终极工具组合。对于存在新兴或竞争标准的情况，这一灵活性变得极为重要。同样的能力还可以用来对硬件进行现场修改或增强以满足新的要求，或者避免昂贵的硬件升级。凭借支持硬件和/或软件升级的任何组合，因此Virtex-4系列提供了最高的现场灵活性。

设计流程中的所有阶段都可从Virtex FPGA所提供的增强组合配置能力中受益。这一功能是FPGA所独有的，允许在设计中的任何地方插入总线或逻辑分析仪。尽管通常在最终发售的产品中都会将这一功能去掉，但如果需要解决复杂的客户问题或者需要进一步增强性能的话，那么仍然需要这一能力。

工艺技术领导地位

做为第一家无晶圆生产线半导体企业，赛灵思公司于2003年初即推出基于先进的90nm工艺技术的产品样品，充分展示了其在制造工艺技术方面的领先地位。做为300mm (12英寸)晶圆技术的早期采用者，赛灵思公司利用这一先进技术制造的器件已经销售出了300多万片，因此在硅晶圆制造方面积累了丰富的经验。Virtex-4系列同时采用了90nm工艺技术和300mm晶圆，从而具有明显的成本优势。

与以前的几代Virtex-II FPGA相比，同时采用90nm制造工艺技术和300mm晶圆使得单个晶圆的Virtex-4裸片产量达到原来的5倍。单个晶圆裸片产量的提升以及Virtex-4的架构性集成优势大大降低了整体成本。

ASMBL架构的另一个重要特点是可有效地利用11层金属层，从而增强了在条带状模块上的芯片布线能力。增强的布线能力以及分布式I/O结构也是目前以及未来Virtex-4平台的关键特点之一。

结论

新推出的革命性Virtex-4 FPGA将加快FPGA技术应用于更多特定领域应用的速度。设计人员或设计小组不仅可选择理想的平台，还可选择合适规模的器件来最好地实现所需要的功能。Virtex-4系列的目标是在更好满足现有FPGA客户需要的同时支持FPGA用于多种新领域。由于只需要学习一种成本更低的工具集、一种设计方法和架构性特性组合，这还为设计人员带来更多好处。最为重要的是，下一代Virtex-4以最低的成本提供了更高的性能。Virtex-4系列的多个平台将在逻辑密度、DSP和处理性能以及I/O带宽等所有方面领先于所有FPGA。