FPGA技術的發(fā)展歷史和動向

1.4 主流的FPGA芯片廠家及其代表產(chǎn)品

目前市場上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%以上的市場份額，其他的FPGA廠家產(chǎn)品主要是針對某些特定的應用。比如，Actel公司主要生產(chǎn)反融絲結構的FPGA，以滿足應用條件極為苛刻的航空、航天領域產(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——Virtex-5系列FPGA提供了4種新型平臺，每種平臺都在高性能邏輯、串行連接功能、信號處理和嵌入式處理性能方面實現(xiàn)了最佳平衡?，F(xiàn)有的3款平臺如下。

(1)Virtex-5 LX平臺：針對高性能邏輯進行了優(yōu)化。

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

(3)Virtex-5 SXT平臺：針對帶有低功耗串行連接功能的 DSP 和存儲器密集型應用進行了優(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，帶有多個針對特定領域進行了優(yōu)化的平臺。

(1)面向數(shù)字信號處理的Spartan-3A DSP平臺。

這個平臺對DSP進行了優(yōu)化，適于那些需要集成式 DSP MAC 和擴展存儲器的應用。特別適于那些需要低成本FPGA來實現(xiàn)信號處理(如軍用無線電、監(jiān)視照相機、醫(yī)學成像等)的應用設計。

(2)面向非易失性應用的Spartan-3AN 平臺。

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

(3)面向主流應用的Spartan-3平臺。

① Spartan-3A平臺：針對 I/O 進行了優(yōu)化。

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

② Spartan-3E平臺：針對邏輯進行了優(yōu)化。

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

③ Spartan-3平臺：針對密度最高和管腳數(shù)較多的應用。

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

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系列對應，Altera公司也推出了StratixIII系列FPGA體系結構。StratixIII系列不僅性能比上一代提高很多，更重要的是靜態(tài)和動態(tài)功耗比前代FPGA低了50%。

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

增強DSP模塊，方便實現(xiàn)了信號處理算法。

經(jīng)過優(yōu)化的內(nèi)部存儲器，改進了信號完整性存儲器接口。

高性能外部存儲器接口。

改進了布線體系結構。

靈活的I/O支持最新的外部存儲器標準。

為了給客戶的設計應用提供最好的性價比解決方案，Altera Stratix III FPGA提供3種型號，分別針對邏輯、DSP和存儲器以及收發(fā)器進行了優(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實現(xiàn)了低功耗、低成本和高性能，進一步擴展了FPGA在成本敏感、大批量領域中的應用。

Cyclone III FPGA采用TSMC公司的65-nm低功耗(LP)工藝技術。Cyclone III 器件對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，在對成本和功耗敏感的大量應用中，提供豐富的特性推動寬帶并行處理的發(fā)展。

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

1.5 工程項目中FPGA芯片選擇策略和原則

由于FPGA具備設計靈活、可以重復編程的優(yōu)點，因此在電子產(chǎn)品設計領域得到了越來越廣泛的應用。在工程項目或者產(chǎn)品設計中，選擇FPGA芯片可以參考以下的幾點策略和原則。

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計領域的前列，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非常快。穩(wěn)定性和可靠性是產(chǎn)品設計需要考慮的關鍵因素。廠家最新推出的FPGA系列產(chǎn)品一般都沒有經(jīng)過大批量應用的驗證。選擇這樣的芯片會增加設計的風險。

而且，最新推出的FPGA芯片因為產(chǎn)量比較小，一般供貨情況都不會很理想，價格也會偏高一些。如果成熟的產(chǎn)品能滿足設計指標要求，那么最好選這樣的芯片來完成設計。

例如，要用FPGA設計一塊數(shù)據(jù)采集卡。采用Altera公司的Cyclone、CyloneII和CycloneIII等3個系列的芯片都可以完成這個功能?？紤]到Cyclone和CyloneII是成熟產(chǎn)品，同時CyloneII又是Cyclone的升級產(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)設計一般采用硬件描述語言(HDL)來完成設計。這與基于CPU的軟件開發(fā)又有很大不同。特別是算法實現(xiàn)的時候，在設計之前，很難估算這個算法需要占多少FPGA的邏輯資源。

作為代碼設計者，希望算法實現(xiàn)之后再選擇FPGA的型號。但是，現(xiàn)在的設計流程一般都是軟件和硬件并行開始設計。也就是說，在HDL代碼設計之前，就開始硬件板卡的設計。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。

幸運的是，F(xiàn)PGA芯片廠家考慮到了這一點。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種型號的FPGA。

正是因為這一點，將來的產(chǎn)品就具備非常好的擴展性，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計文件。

1.5.3 盡量選擇一個公司的產(chǎn)品

如果在整個電子系統(tǒng)中需要多個FPGA器件，那么盡量選擇一個公司的產(chǎn)品。這樣的好處不僅可以降低采購成本，而且降低開發(fā)難度。因為開發(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的設計師在芯片選型的時候都有過這個疑問。其實這兩個最大的FPGA廠家位于美國的同一座城市，人員和技術交流都很頻繁，因此產(chǎn)品各有的優(yōu)勢和特色，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)品的市場表現(xiàn)會有所差別。在中國市場，兩家公司可以說是平分秋色，在高校里面Altera的客戶會略多一些。針對特定的應用，兩個廠家的產(chǎn)品目錄里面都可以找到適合的系列或者型號。

比如，針對低成本應用，Altera公司的Cyclone系列和Xilinx公司的Spartan3系列是對應的。針對高性能應用，Altera公司的Stratix系列和Xilinx公司的Virtex系列是對應的。所以，最終選擇那個公司的產(chǎn)品還是看開發(fā)者的使用習慣。