第一部分：FPGA的发展

可编程逻辑器件与VHDL设计技术第一部分：FPGA的发展北京理工大学雷达技术研究所陈禾可编程逻辑器件与VHDL设计技术自我介绍任课教师：陈禾单位：北京理工大学雷达技术研究所办公地点：四号教学楼212房间电话：68948847E_mail:[e-mail]可编程逻辑器件与VHDL设计技术集成电路的分类可编程逻辑器件与VHDL设计技术本次课的主要内容集成电路的发展ASIC的发展FPGA的发展课程内容介绍可编程逻辑器件与VHDL设计技术常用术语{集成电路（IC）－integratedcircuit{ASIC－applicationspecificintegratedcircuit{掩膜版图－layout{集成度－等效门（gateequivalent){特征尺寸－featuresize{FPGA—fieldprogrammablegatearray{SOC—systems-on-a-chip{SOPC—systems-on-a-programmable-chip可编程逻辑器件与VHDL设计技术IC重要地位{信息产业值占国民经济总值的40%~60%{微电子工业是国民经济信息化的基石{集成电路（IC）是微电子技术的核心z如果以单位质量的“钢”对国民生产总值的贡献为1来计算，则小轿车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路则高达2000。可编程逻辑器件与VHDL设计技术晶体管的发明{1947年12月16日美国贝尔实验室晶体管小组成员Brattain观察到，流经连接在两根导线间锗晶体后的电流被放大了。{经三位科学家长期合作，代替真空管的晶体管发明了:zJohnBardeen(理论物理学家，1972年他作为低温超导理论的创始人之一，获得诺贝尔物理学奖)、zWalterHBrattain(博士，天才的实验家，生在厦门，在贝尔实验室工作了33年之久，为晶体管的发明作出了杰出的贡献)zWillianShockley(博士，才华横溢的领导者，发明了结型晶体管，他支持创建了Intel公司)。{晶体管的发明，宣布了信息时代的到来，这三位晶体管之父，因此获1956年诺贝尔物理学奖。可编程逻辑器件与VHDL设计技术单片集成电路的发明{1958年前后，美国的RobertNoyce和JackKelby两人几乎不约而同地发明了集成电路技术。{1959年设计出来的第一个集成电路只有四个晶体管。可编程逻辑器件与VHDL设计技术{1965年美国硅谷仙童半导体公司的戈登.摩尔：z集成电路上可容纳的晶体管数量，大约每隔18～24个月就会增长一倍。{半导体工业的发展进一步证实了这一结论：z1969年Intel4位微处理器4004有2300只晶体管，104KHz。z1998年Intel推出的奔腾II，32位的处理器，有750万只晶体管，CPU时钟450MHz，集成度提高来260倍，而时钟频率提高了4326倍。摩尔定律可编程逻辑器件与VHDL设计技术1000100M10M1M100000100001G19750520009590858010158086pentiumpropentiumII10亿晶体管处理速度10万MIPS80486i38680286pentium摩尔定律示意图(年)(只晶体管)摩尔定律的发展可编程逻辑器件与VHDL设计技术年份1997199920012003200620092012昀小线宽0.250.180.150.130.100.070.01(μm）DRAM容量256M1G1G~4G4G16G64G256G每片晶体管112140762005201400数（M）芯片尺寸300440385430520620750(平方毫米）频率750120014001600200025003000(兆赫）金属化层数66-7777-88-99昀低供电1.8-2.511.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6电压（v）昀大晶圆200300300300300450450直径（mm）集成电路发展规划可编程逻辑器件与VHDL设计技术00.050.10.150.20.250.3199719992001200320062009特征尺寸（微米）工艺尺寸工艺特征尺寸可编程逻辑器件与VHDL设计技术0100200300400500600199719992001200320062009晶体管数（M）晶体管数单个芯片上的晶体管数可编程逻辑器件与VHDL设计技术0100200300400500600700199719992001200320062009芯片面积（平方毫米）芯片面积芯片面积可编程逻辑器件与VHDL设计技术00.511.522.5199719992001200320062009Vdd(v)Vdd电源电压可编程逻辑器件与VHDL设计技术012345678910199719992001200320062009金属层数金属层数金属布线层数可编程逻辑器件与VHDL设计技术050010001500200025003000199719992001200320062009Clock(MHz)Clock时钟频率可编程逻辑器件与VHDL设计技术专用集成电路（ASIC）的出现{ASIC的提出和发展说明集成电路进入了一个新阶段。{通用的、标准的集成电路已不能完全适应电子系统的急剧变化和更新换代。各个电子系统厂家都希望生产出具有自己特色的合格产品，只有ASIC产品才能达到这种要求。这也就是自80年代中期以来，ASIC得到广泛重视的根本原因。{ASIC电路的蓬勃发展推动着设计方法和设计工具的完善，同时也促进着系统设计人员与芯片设计人员的结合和相互渗透。可编程逻辑器件与VHDL设计技术{ASIC概念z广义{面向专门用途而区别于标准逻辑电路、通用存储器及通用微处理器电路的ICz狭义{它是根据某一用户的特定要求，能以低制作成本、短交货周期供货的半定制、定制电路以及PLD和FPGA电路。zASSP“今天的线路板就是明天的专用电路”专用集成电路概念可编程逻辑器件与VHDL设计技术ASIC树专用集成电路设计分类定制半定制模块编译(blockcompiler)可编程逻辑器件(PLD)逻辑单元阵列(logiccellarray或称FPGA)通用单元标准单元混合式积木块门阵列线性阵列门海有通道可编程阵列逻辑(PAL)全定制可编程逻辑阵列(PLA)通用可编程阵列逻辑(GAL)可编程逻辑器件与VHDL设计技术专用集成电路设计分类{ASIC设计方法分类z全定制法（full-customdesignapproach）z半定制法（semi-customdesignapproach）——门阵列可编程逻辑器件与VHDL设计技术VDDVSSVDDVSSI/O焊盘布线通道块单元行单元专用集成电路设计分类可编程逻辑器件与VHDL设计技术专用集成电路设计分类z定制法（customdesignapproach）——标准单元I/O压焊块固定单元1单元2单元3单元4高度布线通道可变宽度单元行a)b)可编程逻辑器件与VHDL设计技术三种设计方法比较NRE费(nonrecurring-engineering)批量生产单价低：门阵列低：全定制中：标准单元中：标准单元高：全定制高：门阵列可编程逻辑器件与VHDL设计技术{可编程逻辑器件是ASIC的一个重要分支。{它是一种已完成了全部工艺制造、可直接从市场上购得的产品，用户只要对它编程就可实现所需要的电路功能．所以称它为可编程ASIC。{通信的发展促进了FPGA的发展FPGA的发展可编程逻辑器件与VHDL设计技术FPGA的发展{ASIC的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，减少了产品的物理尺寸，但是ASIC芯片都必须到IC厂家去加工制造才能完成，且设计制造周期长，且一旦有了错误，需重新修改设计和制造，成本和时间大大增加。{硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要，在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的ASIC芯片并马上投入使用，而且可反复编程，修改错误，大大方便设计者。这就是可编程逻辑器件提出的基本思想。可编程逻辑器件与VHDL设计技术z可编程逻辑器件法（programmablelogicdevices-PLD）z逻辑单元阵列法（logiccellarray）--FPGA可编程I/O单元可编程布线资源可编程逻辑单元FPGA的分类可编程逻辑器件与VHDL设计技术ASIC特性{嵌入式设计{可以不涉及布局布线工作{ASIC可以支持高速和高度复杂的门级设计{需要与ASIC厂商密切合作{与全定制比较，投资来得便宜，设计和流片时间来得快速{产量可编程逻辑器件与VHDL设计技术{规模越来越大。z随着VLSI工艺的不断提高，FPGA芯片的规模越来越大，达到上千万门级的规模。芯片的规模越大，所能实现的功能就越强，同时也更适于实现片上系统(SoC)。{开发过程投资小。zFPGA芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，而且FPGA设计灵活，发现错误时可直接更改设计，减少了投片风险，节省了许多潜在的花费。所以不但许多复杂系统使用FPGA完成，甚至设计ASIC也要把实现FPGA功能样机作为必需的步骤。{FPGA一般可以反复地编程、擦除。z在不改变外围电路的情况下，设计不同片内逻辑就能实现不同的电路功能。所以，用FPGA试制功能样机，能以昀快的速度占领市场。甚至在有些领域，因为相关标准协议发展太快，设计ASIC可能跟不上技术的更新，只能用FPGA完成系统的研制与开发。FPGA特性可编程逻辑器件与VHDL设计技术{保密性能好。z在某些场合下，根据要求选用防止反向技术的FPGA，能很好地保护系统的安全性和设计者的知识产权。{以ARM、PowerPC、Nios和MicroBlaze为代表的RISC处理器软硬IP核、各种标准外设软硬IP核和实现通信、数字信号处理功能的IP核极大地加强了系统功能，这些IP和用户以HDL语言开发的逻辑部件可以昀终综合到一片FPGA芯片中，实现真正的可编程片上系统。{FPGA开发工具智能化，功能强大。z现在，FPGA开发工具种类繁多、智能化高、功能强大.应用各种工具可以完成从输入、综合、实现到配置芯片等一系列功能。还有很多工具可以完成对设计的仿真、优化、约束、在线调试等功能。这些工具易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。FPGA特性可编程逻辑器件与VHDL设计技术ASICFPGA门级复杂性●●工艺选择●●开发费用（NRE）●库存的危险性●设计错误的危险性●试制时间●CAD/CAE的选择●●设计方式●●速度与性能●●ASIC与FPGA比较可编程逻辑器件与VHDL设计技术√○○×可重新设计性√－－U可测性×UU√设计出错率U－○√电路速度UU－√功能/面积√○－×设计效率可编程逻辑器件门阵列标准单元全定制设计方法注：○代表最高（最大），√代表高（大），－代表中等，U代表低（小），×代表最低（最小）ASIC设计方法比较可编程逻辑器件与VHDL设计技术可编程逻辑器件的发展趋势{前言zICInsights数据显示,PLD市场从1999年的29亿增长到去年的56亿zMatas预计这种高速增长局面以后很难出现,但可编程逻辑器件已然是集成电路中昀具活力和前途的产业z主要原因:依赖通信和网络产品市场的飞速发展可编程逻辑器件与VHDL设计技术可编程逻辑器件的发展趋势{继续向更高密度，更大容量迈进zFPGA已有1000万门的规模z大容量PLD/FPGA是市场发展的焦点{Xilinx{Altera可编程逻辑器件与VHDL设计技术可编程逻辑器件的发展趋势{低密度PLD依然走俏z代表产品:Altera的MAX7000/3000，Lattice的ispLSI2000，Xlinx的XC9500，CoolRunnerz容量在增加zPLD业界正在向低电压器件演进可编程逻辑器件与VHDL设计技术可编程逻辑器件的发展趋势{IP内核得到进一步发展z推出“硬件”IPzAltera和Xilinx相继推出超级内核，目前正准备支持一些新兴的宽带I/