PLD可编程逻辑器件的发展

2014213803余振波集电本硕14-1FPGA调查报告Content1.1FPGA的产生与发展1.2国内外发展趋势和状况2FPGA厂商介绍3FPGA未来的发展方向4.可编程逻辑器件与EDA技术的发1.1FPGA的产生与发展随着电子技术的飞速发展,电子工程师已越来越不满足于使用通用逻辑器件来构成数字罗辑系统.目前专用集成电路ASIC己成为世界各大半导体厂商竞相开发的产品,在庞大的ASIC家族中,有一大类产品是由用户自己而不是由芯片生产厂最后完成其逻辑功能的,一类产品就是可编程逻辑器件·现在用户使用可编程ASIC,借助日益先进的EDA技术,可以实现各种数字电子系统以及功能模块的调试,下面分别阐述。历史上可编程逻辑器件经历了从PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD到CPLD和FPGA的发展过程,在结构、工艺、集成度、功能、速度和灵活性方面都有了很大的改进和提高.可编程逻辑器件大致的演变过程如下:(1)70年代,熔丝编程的PROM和PLA器件是最早的可编程逻辑器件.(2)70年代末,AMD公司开始推出PAL器件.(3)80年代初,加itc公司发明可电擦写的,比PAL使用更灵活的GAL器件.(4)80年代中期,Xilinx公司提出现场可编程的概念,同时生产了第一片FPGA器件.同一时期,Alter公司推出了EPLD器件,较GAL具有更高的集成度,可以用紫外线或电擦除.(5)80年代末,Lattic公司又提出了在系统编程技术,并且推出了一系列具有在系统编程能力的CPLD器件.集成度是集成电路一项很重要的指标,如果从集成密度上分类,可以分为低密度可编程逻辑器件(LDPLD)和高密度可编程逻辑器件(HDPLD),可以说GAL22V10是二者的分界点,即标准门500一750门之间,如图l所示2014213803余振波集电本硕14-1Lattic公司的HDPLD器件,从相当于2000个PLD标准门的器件(LSI1016)到相当于25000个PLD标准门的器件(LSI6192),不仅容量大,而且速度快,足以完成复杂的数字逻辑功能.尤其值得提出的是aLitc公司在全世界首创了在系统可编程逻辑器件,抛掉了传统的专用编程器,而且也不用将芯片从电路系统取下,只利用计算机和一组下截电缆就可以在系统编程,这种器件的在系统特性,可以说是可编程器件的一次革命,将可编程器件的优越性发挥到了极致.从广义上说,大规模PLD器件大致上可包含两种类型:一种类型为单元型如为lninx公司的FPGA,另一种类型以宏单元为基础,这种结构一般称为CPLD如Lattie公司的ISP系列.可编程逻辑器件的出现,改变了传统的数字系统设计方法.传统的数字系统设计是通过设计电路板来实现系统功能,而采用可编程器件是基于芯片的设计方法,如图2所示.1.2国内外发展趋势和状况FPGA是英文fieldprogrammablegatearray的缩写，即现场可编程门阵列。是在PAL，GAL.EPLD等可编程器件的基础上发展的产物。在世界范围内FPGA芯片的制造商主要有Altera和Xilinx，Altera发明了可编程逻辑器件，支持软件主要有Quartus.而首先制造出可编程逻辑器件并把它命名为FPGA的是Xilinx公司，公司为客户提供了90%的65nmFPGA产品，19832014213803余振波集电本硕14-1年世界上第一款可编程逻辑器件产生，接下来的几年内这一工艺和技术在美国和日本和部分发达国家得到迅速普及和应用，产品主要应用于军工和航天领域，由于其可编程的特性，在其他一些特殊要求领域也得到了广泛应用，目前在中国学习和使用FPGA的人数也在不断攀升，但能全面掌握和灵活运用FPGA并了解如何去开发上还存在很大的不足，还需要付出更多的精力和努力，才能逐渐缩短差距迎头赶上。而FPGA由于设计比较困难，产品比较昂贵，所以目前在国内没有研究机构进行这方面的研究，国外有几家厂商推出了各具特色的产品，如摩托罗拉公司推出的Mpaa,Anadigm公司推出的AAN221E04,IspPAC是由Lattice公司推出，这些产品在各自的专业领域应用中得到了肯定。随着集成电路的发展，集成电路实际趋于复杂化，虽然制作工艺在不断进步但因所需器件数量庞大，期间的空间分布，结构布局和设计成本也成为其发展过程中需要考虑的重点和难点，随着社会进步，电子产品在满足人们需要的同时，不断向更专业，更专门和个性化的方向发展，以满足人们对他的需求。正因为这些需求加速了FPGA的出现和发展，随着FPGA的发展，其电路结构日趋复杂，在期间规模集成度不断提高的情况下，芯片的处理功能也越来越强大。与其同步发展的还有FPAA，但是其发展速度远远落后于FPGA的发展，目前从事FPAA研究的大型团队很少，由于模拟设计需要对模拟电路的知识达到精通，同时熟悉模拟器件在电路板上的结构布局，能精确计算由于各种模拟器件之间的相互影响而导致的参数变化，所以很多人在谈到模拟集成电路设计时总是望而却步，转而选择了统一掌握的数字设计，这一情况导致模拟设计人才缺乏，从事模拟设计与数字设计的人员严重失衡。因此研究人员希望通过简化模拟电路的设计和仿真过程，进一步促进模拟技术的发展，正是在这种情况下FPAA出现了。FPAA的出现极大的加速了模拟电路设计的开发速度，降低了卡发的难度。2FPGA厂商的介绍FPGA（Field－ProgrammableGateArray,即现场可编程门阵列）自上世纪80年代面世以来，至今已经过了近30年的发展。FPGA芯片的体系结构发生了巨大变化，生产工艺不断进步，芯片的密度、功耗、成本都发生了翻天覆地的变化，而FPGA的应用也从最初的替代胶合辑等简单应用发展到替代ASIC、DSP、ASSP甚至微处理器，在通信、军事、医疗、测试测量等广泛的应用领域都可以看到FPGA的身影。作为IC中的一员，FPGA的市场增长速度甚至超越了整个IC市场。但事实上，全球的FPGA的供应商却仅有数家，FPGA市场的快速发展离不开这为数不多的几家供应商在资金和技术上的投入。在2012年，全球芯片市场繁荣成长。在中国市场中．虽然ASIC和ASSP(APPlicationSpecificStandardPans)产品不断侵蚀集成电路市场．但都阻止不了FPGA市场的增长。但随着人们不断增加系统设备功能要求时．系统级芯片的设计也愈趋复杂．设计师们面临着在设计时间、灵活性和NRE(Non—RecurringEngineering)成本等方面的挑战。这种挑战，船挟了FPGA器件的电路设计、产品设计和系统设计的速度。FPGA独具的通用接口、通用控制、专用功能IP、以及内嵌CFU等资源，使得其很容易地实现构造简单、固化程度高、功能全面的系统产品设计．所以，FPCA是系统级设计和产品的最大市场。下面就目前最具代表性的四家FPGA公司(Xilinx、Altera、Lattice和Micmsemi)的发展策略、产品进程和新方案做一个介绍。1XilinxXilinx和ARM在2010年联合发布了首款可扩展式处理平台——ARMCoilex—AgMPCore处理器的单芯片解决方案．最新推出的型号是Zynq一7000EPP。它将双核ARMCortex—A9MPCore处理系统与统一28nmFPGA完美的结合在一起。FPGA预处理器传统的互联方式为PCIePCI—Express)，而Zynq系列采用AⅪ4(AdvancedeXtensibleInterface4)连接结构．这种2014213803余振波集电本硕14-1连接可以在两者之间形成很宽酌带宽。在CPU同样的情况下．接口处理能力是评价系统处理能力的因素之一。这种ASIC与FPGA混合器件，可以实现设计师们的诸多梦想：一方面，它与ARM的结合具有ASIC级的性能．而28nm工艺则使它的功耗更低；另一方面，它又具有FPGA强大的配置功麓和高度的灵活性oynq--7096可扩展处理平台的{茕电．一是软硬件可编程；二是处理系统随时可编程；三是可扩展的密度与性能大大提高『11。Xilinx发布了以IP及系统为中心的新一代设计环境～vivado设计套件。Vivado不仅能加快FPGA的变成速度和I，O的设计速度．而且还可优化可编程系统的集成度和实现速度，器件主要集成有：3D堆叠硅片互联技术、ARM处理系统、模拟混合信号AMS和绝大大部分半导体IP核．Vivado设计套件突破性的提高了可编程系统集成度和实现速度．设计生产力是同类开发环境的4倍口。2ARera在2011年1月25号，Altera公司发布28nm工艺器件．为设计师们提供更全面的选择。其中，收发器技术、产品体系结构、IP集成和工艺技术都有了很大的进步。收发器——A1tem在每一28nm器件系列性能范围内进一步优化其成熟可靠的业界最佳收发器技术。Ahera的28nm器件支持速率从600Mbps到28Gbps的收发器f3]。产品体系结构——在性能和效率上进行了优化的片内存储器：硬核和软核存储器控翩器．支旖所需的应用带宽功耗和成本需求：在性能上进行了优化的高端、中端和低成本lJO。IP集成一为满足用户的成本、功耗和性能需求，Altera增强了多种系统级Ip，例如，PCIExpress、Gen2xl和x4、PCIeGen3x8、Interlaken、40G／100G和100Gigabit以太网(iOOGhE)。3LatticeLattice的中密度器件主打的是功耗、性能和成本三者的平衡．应用较多是在无线接口和安防：低密度器{牛赠突显出其低成本和易用性，在手待设备、LCD显示、工控等领域中较为常见。该公司主要的研发方向还是中密度、低密度、混合信号处理三种器件上，同时，产品提供配套的内核、开发软件和开发板。去年12月攉出新的LatticeECP3Versa开发套件。该Versa的开发套件是一个综合包，包括硬件、软件、参考设计和IP．使客户能够迅速开发下一代系统。这对在各种市场中开发前沿应用是非常理想的．诸如工业网络、工业自动化、计算、医疗设备、国防和消费电子产品。Versa套件使主流客户能以较低的成本评估获奖的LatticeECP3FPGA中的高价值设计模块的功能：可配置的SERDES、级联DSPslice和高速DDR3存储器控制器。过时的传统微控制器和DSP的功能将改为用Versa套件来开发成高效的FPGA解决方案．以解决在应用中新出现的高速设计挑战．如变化的视频传输和中继器、视频图像信号处理、摄相机控翩器、网络流量管理和适应性强的网络结构、太阳能板控制器和数据采集与控制。4MicrosemiMicrosemi旗下SOC产品部Actel发布全新的65nm嵌入式快闪平台。该平台用于构建公司下一代基于快闪的可定制系统级芯片(systemonchip，SOC)Microsemi的低功耗智能混合信号和系统关键系列SOC具有四输入查找表(100kuptable，LUT)架构，将会集中使用现代化的65rtm嵌入式快闪工艺。相比前一代产品．器件密度铯够提高一个数量级，性能将提升一倍。新的平台能够降低动态功耗65％，提升F1ash'Freeze特性来降低静态电流，从而维持企业在低功耗领域的领导地位。未来器件将备有行业标准总线接13，并集成增强的知识产权部件如嵌入式微处理器内核、高速收发器、存储器接口非易失瞠C碍存和可编程模拟部件。在现今的设计中，对低功耗、固件错误免疫力、安全性和高集成度需求很高，在65nm工艺节点．Microsemi能够提高产品密度并改善功耗特性和性能，为工业、医疗、军事／航天、航空、通信和消费产品市场提供更多选择14j。2014213803余振波集电本硕14-13FPGA未来的发展方向从FPGA发展角度来讲，主要有两个方面，一个是FPGA的应用市场的发展变化，另一个是FPGA架构的发展变化。从应用角度来讲，FPGA性能的提升、功耗和成本的不断降低，将使它的应用领域更加广阔。对于原来传统的应用市场，FPGA的应用将进一步深化。出于工艺和成本的考虑，一些传统的做ASIC的公司将不得不