FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史和動(dòng)向

1.4 主流的FPGA芯片廠家及其代表產(chǎn)品

目前市場(chǎng)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(chǎng)份額，其他的FPGA廠家產(chǎn)品主要是針對(duì)某些特定的應(yīng)用。比如，Actel公司主要生產(chǎn)反融絲結(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Xilinx和Altera兩家公司的代表產(chǎn)品。

1.4.1 Xilinx公司的代表產(chǎn)品

1.面向高性能的Virtex-5 FPGA 系列

終極系統(tǒng)集成平臺(tái)——Virtex-5系列FPGA提供了4種新型平臺(tái)，每種平臺(tái)都在高性能邏輯、串行連接功能、信號(hào)處理和嵌入式處理性能方面實(shí)現(xiàn)了最佳平衡?，F(xiàn)有的3款平臺(tái)如下。

(1)Virtex-5 LX平臺(tái)：針對(duì)高性能邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。

(2)Virtex-5 LXT平臺(tái)：針對(duì)帶有低功耗串行連接功能的高性能邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。

(3)Virtex-5 SXT平臺(tái)：針對(duì)帶有低功耗串行連接功能的 DSP 和存儲(chǔ)器密集型應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

2.面向低成本的Spartan-3 系列 FPGA

90nm Spartan-3 系列 FPGA 的發(fā)售量已經(jīng)超過3000萬片，是業(yè)內(nèi)首款大容量 FPGA 系列產(chǎn)品，帶有多個(gè)針對(duì)特定領(lǐng)域進(jìn)行了優(yōu)化的平臺(tái)。

(1)面向數(shù)字信號(hào)處理的Spartan-3A DSP平臺(tái)。

這個(gè)平臺(tái)對(duì)DSP進(jìn)行了優(yōu)化，適于那些需要集成式 DSP MAC 和擴(kuò)展存儲(chǔ)器的應(yīng)用。特別適于那些需要低成本FPGA來實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理(如軍用無線電、監(jiān)視照相機(jī)、醫(yī)學(xué)成像等)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

(2)面向非易失性應(yīng)用的Spartan-3AN 平臺(tái)。

這個(gè)平臺(tái)主要針對(duì)需要非易失性、系統(tǒng)集成、安全、大型用戶Flash的應(yīng)用。特別適于空間敏感型或安全應(yīng)用，以及低成本嵌入式控制器。

(3)面向主流應(yīng)用的Spartan-3平臺(tái)。

① Spartan-3A平臺(tái)：針對(duì) I/O 進(jìn)行了優(yōu)化。

這個(gè)平臺(tái)是針對(duì)那些I/O數(shù)和性能比邏輯密度更重要的應(yīng)用，特別適于橋接、差分信號(hào)和存儲(chǔ)器接口這些需要寬接口或者多個(gè)接口以及一定處理能力的應(yīng)用。

② Spartan-3E平臺(tái)：針對(duì)邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。

這個(gè)平臺(tái)是針對(duì)那些邏輯密度比I/O數(shù)更重要的應(yīng)用，特別適于邏輯集成、DSP協(xié)處理和嵌入式控制，這些需要進(jìn)行大量處理和窄接口或者少量接口的應(yīng)用。

③ Spartan-3平臺(tái)：針對(duì)密度最高和管腳數(shù)較多的應(yīng)用。

這個(gè)平臺(tái)是針對(duì)那些高邏輯密度和高 I/O 數(shù)都很重要的應(yīng)用，特別適于高度集成的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。

1.4.2 Altera公司的代表產(chǎn)品

1.面向高性能的StraitixIII系列FPGA

和Xilinx的Virtex-4系列對(duì)應(yīng)，Altera公司也推出了StratixIII系列FPGA體系結(jié)構(gòu)。StratixIII系列不僅性能比上一代提高很多，更重要的是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗比前代FPGA低了50%。

Stratix III器件經(jīng)過設(shè)計(jì)，支持高速內(nèi)核以及高速I/O，并且具有非常好的信號(hào)完整性。例如，它能夠?qū)崿F(xiàn)400MHz DDR3的FPGA。這種性能的提高源于以下幾點(diǎn)。

增強(qiáng)DSP模塊，方便實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理算法。

經(jīng)過優(yōu)化的內(nèi)部存儲(chǔ)器，改進(jìn)了信號(hào)完整性存儲(chǔ)器接口。

高性能外部存儲(chǔ)器接口。

改進(jìn)了布線體系結(jié)構(gòu)。

靈活的I/O支持最新的外部存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)。

為了給客戶的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供最好的性價(jià)比解決方案，Altera Stratix III FPGA提供3種型號(hào)，分別針對(duì)邏輯、DSP和存儲(chǔ)器以及收發(fā)器進(jìn)行了優(yōu)化。

2.面向低成本的Cyclone III系列FPGA

低成本Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代產(chǎn)品。Cyclone III FPGA系列前所未有地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本和高性能，進(jìn)一步擴(kuò)展了FPGA在成本敏感、大批量領(lǐng)域中的應(yīng)用。

Cyclone III FPGA采用TSMC公司的65-nm低功耗(LP)工藝技術(shù)。Cyclone III 器件對(duì)芯片和軟件采取了更多的優(yōu)化措施，在所有65-nm FPGA中是功耗最低的，在對(duì)成本和功耗敏感的大量應(yīng)用中，提供豐富的特性推動(dòng)寬帶并行處理的發(fā)展。

Cyclone III 系列包括8個(gè)型號(hào)，具有5k～120k個(gè)邏輯單元(LE)，最多有534個(gè)用戶I/O引腳。Cyclone III器件具有4MB嵌入式存儲(chǔ)器、288個(gè)嵌入式18×18乘法器、專用外部存儲(chǔ)器接口電路、鎖相環(huán)(PLL)以及高速差分I/O等。

1.5 工程項(xiàng)目中FPGA芯片選擇策略和原則

由于FPGA具備設(shè)計(jì)靈活、可以重復(fù)編程的優(yōu)點(diǎn)，因此在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在工程項(xiàng)目或者產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，選擇FPGA芯片可以參考以下的幾點(diǎn)策略和原則。

1.5.1 盡量選擇成熟的產(chǎn)品系列

FPGA芯片的工藝一直走在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的前列，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非?？?。穩(wěn)定性和可靠性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵因素。廠家最新推出的FPGA系列產(chǎn)品一般都沒有經(jīng)過大批量應(yīng)用的驗(yàn)證。選擇這樣的芯片會(huì)增加設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。

而且，最新推出的FPGA芯片因?yàn)楫a(chǎn)量比較小，一般供貨情況都不會(huì)很理想，價(jià)格也會(huì)偏高一些。如果成熟的產(chǎn)品能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，那么最好選這樣的芯片來完成設(shè)計(jì)。

例如，要用FPGA設(shè)計(jì)一塊數(shù)據(jù)采集卡。采用Altera公司的Cyclone、CyloneII和CycloneIII等3個(gè)系列的芯片都可以完成這個(gè)功能?？紤]到Cyclone和CyloneII是成熟產(chǎn)品，同時(shí)CyloneII又是Cyclone的升級(jí)產(chǎn)品，因此選擇CyloneII是比較理想的方案。

1.5.2 盡量選擇兼容性好的封裝

FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用硬件描述語言(HDL)來完成設(shè)計(jì)。這與基于CPU的軟件開發(fā)又有很大不同。特別是算法實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，在設(shè)計(jì)之前，很難估算這個(gè)算法需要占多少FPGA的邏輯資源。

作為代碼設(shè)計(jì)者，希望算法實(shí)現(xiàn)之后再選擇FPGA的型號(hào)。但是，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)流程一般都是軟件和硬件并行開始設(shè)計(jì)。也就是說，在HDL代碼設(shè)計(jì)之前，就開始硬件板卡的設(shè)計(jì)。這就要求硬件板卡具備一定的兼容性，可以兼容不同規(guī)模的FPGA芯片。

幸運(yùn)的是，F(xiàn)PGA芯片廠家考慮到了這一點(diǎn)。目前，同系列的FPGA芯片一般可以做到相同物理封裝兼容不同規(guī)模的器件。例如，Xilinx的Spartan3系列FPGA，在BGA456封裝下，可以選擇3S200、2S400、3S1000、3S1500這4種型號(hào)的FPGA。

正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，將來的產(chǎn)品就具備非常好的擴(kuò)展性，可以不斷地增加新的功能或者提高性能，而不需要修改電路板的設(shè)計(jì)文件。

1.5.3 盡量選擇一個(gè)公司的產(chǎn)品

如果在整個(gè)電子系統(tǒng)中需要多個(gè)FPGA器件，那么盡量選擇一個(gè)公司的產(chǎn)品。這樣的好處不僅可以降低采購(gòu)成本，而且降低開發(fā)難度。因?yàn)殚_發(fā)環(huán)境和工具是一致的，芯片接口電平和特性也一致，便于互聯(lián)互通。

很多第一次接觸FPGA的設(shè)計(jì)師在芯片選型的時(shí)候都有過這個(gè)疑問。其實(shí)這兩個(gè)最大的FPGA廠家位于美國(guó)的同一座城市，人員和技術(shù)交流都很頻繁，因此產(chǎn)品各有的優(yōu)勢(shì)和特色，很難說清楚誰好誰壞。

在全球不同的地區(qū)，這兩家公司的FPGA芯片產(chǎn)品的市場(chǎng)表現(xiàn)會(huì)有所差別。在中國(guó)市場(chǎng)，兩家公司可以說是平分秋色，在高校里面Altera的客戶會(huì)略多一些。針對(duì)特定的應(yīng)用，兩個(gè)廠家的產(chǎn)品目錄里面都可以找到適合的系列或者型號(hào)。

比如，針對(duì)低成本應(yīng)用，Altera公司的Cyclone系列和Xilinx公司的Spartan3系列是對(duì)應(yīng)的。針對(duì)高性能應(yīng)用，Altera公司的Stratix系列和Xilinx公司的Virtex系列是對(duì)應(yīng)的。所以，最終選擇那個(gè)公司的產(chǎn)品還是看開發(fā)者的使用習(xí)慣。