并行設計FPGA和PCB，應對系統(tǒng)設計的趨勢與挑戰(zhàn)

復雜度日益增加的系統(tǒng)設計要求高性能FPGA的設計與PCB設計并行進行。通過整合FPGA和PCB設計工具以及采用高密度互連(HDI)等先進的制造工藝，這種設計方法可以降低系統(tǒng)成本、優(yōu)化系統(tǒng)性能并縮短設計周期。

圖1 FPGA和PCB

設計團隊必須并行工作，不斷地交換數(shù)據(jù)和信息以確保系統(tǒng)設計成功

電子工業(yè)背后的推動力是對更快、更便宜的產品的需求以及在競爭廠商之前將產品推向市場。IC技術的進步一直以來就是促使功能增加和性能提高的主要因素之一，而FPGA技術也一直以非?？斓乃俣仍诎l(fā)展。與過去FPGA僅僅用作膠合邏輯不同的是，現(xiàn)在FPGA已經被用來實現(xiàn)主要系統(tǒng)功能。FPGA的邏輯門數(shù)已達1千萬，內核速度達到400MHz，能提供高達11Gbps的下一代芯片間通信速度。而與此同時，它仍然保持著非常合理的成本，因此，與ASIC和定制IC相比，F(xiàn)PGA是一種更具有吸引力的選擇。

IC和FPGA技術的進步對下游產業(yè)產生的效應影響到了PCB行業(yè)，這些高管腳數(shù)和高性能封裝推動新的PCB生產及設計技術具有諸如嵌入無源器件、數(shù)千兆位信號和EMI分析等功能，并對專用的高密度和高性能布線提出了需求。基本的系統(tǒng)設計方法也在發(fā)生變化，對FPGA和PCB的設計可以并行進行以降低系統(tǒng)成本、優(yōu)化系統(tǒng)性能并縮短設計周期。

PCB和FPGA一般是在不同的設計環(huán)境下創(chuàng)建，過去這些設計方案很少相互溝通。然而，隨著高性能、高密度FPGA器件的日益流行，為滿足緊張的上市時間表，如今PCB和FPGA設計團隊必須并行工作(見圖1)，不斷地交換數(shù)據(jù)和信息以確保整個系統(tǒng)設計獲得成功。

當在PCB上實現(xiàn)高端FPGA時，設計工程師面臨性能優(yōu)化和系統(tǒng)設計生產率的雙重挑戰(zhàn)。設計工程師必須問自己：是什么問題使得過程慢了下來?需要做什么來獲得最佳性能?這些問題的答案可幫助他們鑒別可實現(xiàn)更小、更便宜和更快系統(tǒng)的解決方案。

設計效率的挑戰(zhàn)

設計工程師需要并行設計PCB和FPGA時，FPGA設計工程師再也不能像以前那樣獨立地設計，然后將完成的FPGA設計交給PCB設計工程師就可了事。一個有競爭力的設計要求FPGA和PCB設計工程師從上至下的協(xié)作，各自做些折衷以保證最后得到一個最優(yōu)系統(tǒng)。并行設計的好處是它能減少設計周期、優(yōu)化系統(tǒng)性能并降低制造成本。

并行設計的挑戰(zhàn)在于FPGA布局和布線工具得到的結果需要準確、迅速地映射到原理圖和PCB布局中，同時PCB設計的任何改變也必須在FPGA上更新。傳統(tǒng)的設計過程是先設計FPGA，然后再將它們交給PCB設計工程師進行電路板實現(xiàn)，如今這種做法不再可行。

如果FPGA設計/綜合、布局/布線以及PCB設計環(huán)境沒有被整合，F(xiàn)PGA和PCB方案之間的溝通必須用人工的方法來實現(xiàn)。對于有幾百個管腳的小型FPGA，這可能還可以接受，但是，如今很多設計擁有多個高度復雜的FPGA，使用這種方法進行信息溝通將非常浪費時間，并容易出錯。僅僅是高管腳數(shù)FPGA的PCB原理圖符號的創(chuàng)建和更新，就可以凸顯這個問題(設計時間的評估見圖2)。

圖2 創(chuàng)建和更新FPGA的PCB原理圖符號所需時間的估計

另外一個問題涉及到PCB上的大型FPGA。與小型FPGA的符號不同，大型FPGA的單個符號在一張原理圖放不下。這些符號必須通過功能分組被分成幾個符號，并在FPGA的設計反復過程中保持不變。

FPGA設計工程師花費大量時間調整性能、選擇正確的I/O管腳驅動器/接收器，然而FPGA的設計并非僅受FPGA設計工程師的控制。當在PCB上進行FPGA的布局和布線時，設計環(huán)境可能要求改變FPGA的管腳分配，如果PCB工具中沒有FPGA設計規(guī)則，這可能成為一個重復而費時的過程。

此外，F(xiàn)PGA 的I/O分配也成了一個系統(tǒng)問題。設計工具需要能夠管理管腳分配，但它們必須能被PCB和FPGA設計工程師用來溝通管腳約束。PCB設計工程師無法創(chuàng)建一個阻止FPGA時序收斂的條件，而FPGA設計工程師也不能創(chuàng)建一個阻止系統(tǒng)時序收斂的條件。

圖3、圖4給出的例子體現(xiàn)了裝配在PCB上的FPGA的性能優(yōu)化前后的布線情況。FPGA的32位總線必須直接與左邊連接器進行通訊，這是一個高速總線，其上所有網(wǎng)絡必須匹配以獲得適當?shù)钠笨刂啤?/p>

在圖3中，為使所有的走線長度與最長網(wǎng)絡相匹配，布線器增加了很多蛇形走線。從PCB布線的角度來看，其結果是一團糟：有很多額外的擁塞、太多額外的走線以及一個工作性能并非最優(yōu)的總線。

圖3 FPGA性能優(yōu)化前的布線圖

在圖4中，布線器也對所有的走線長度與最長走線進行了匹配。即使這樣，每條走線的長度也只有1.8英寸，而此前為3.2英寸，更短的匹配長度使總線延時減少到320皮秒。這種性能優(yōu)化是整合FPGA和PCB設計過程的結果，它可獲得理想的FPGA管腳圖。

圖4 FPGA性能優(yōu)化后的布線圖

這個例子說明了在PCB上裝配FPGA可能存在的挑戰(zhàn)，包括：額外的擁塞需要更長的PCB設計時間完成布線;并非最優(yōu)的系統(tǒng)性能;額外的布線要求額外的PCB層，從而增加制造成本。

功能方面的性能障礙

IC和FPGA器件已經過優(yōu)化以便得到更高性能，例如，它們現(xiàn)在能夠實現(xiàn)每秒數(shù)Gb的串行通訊性能。從時序收斂、信號完整性以及全面降低PCB布線密度的角度來看，這種方法有以下幾個優(yōu)點：

(1) 時序校準沒那么嚴格：時鐘包含在串行信號內，因此設計工程師不需要管理時鐘和數(shù)據(jù)之間的時序;

(2) 改善信號完整性：所有信號都使用差分線對，可提高信號質量;

(3) 布線簡化：串行信號沿一條路徑(實際上是差分線對)傳輸，而不是在具有多條走線的總線上并行傳輸，這意味著互連需要較少的走線和層數(shù);

(4) 片上端接：通過在FPGA內集成可變電阻端接器，板上需要的表面貼器件更少，可以節(jié)省空間并提高性能。在更新的器件里還包含了片上電容，可節(jié)省更多的空間。

在系統(tǒng)中使用這些高端FPGA則使PCB設計成為整個系統(tǒng)設計取得成功的關鍵途徑，其中系統(tǒng)必須能高速運行，并具有生產成本效益，還能按時設計出來。

每秒數(shù)Gb的通訊速度要求一套能夠進行信號走線并驗證的全新工具。這時PCB上的走線、連接器和過孔也需要消耗功率，必須小心地對它們建模，用經典的信號完整性分析方法計算延時、過沖/下沖和串擾。另外還必須用理解位模式、預加重、均衡和眼圖，對工作在GHz頻率范圍的串行連接進行建模。EDA和FPGA供應商也正在協(xié)作，以“設計套件”的形式提供準確的器件模型、設計約束和參考設計，這都將提高設計質量并縮短設計周期。

串行I/O還需要由公共系統(tǒng)約束驅動的改進的PCB布局和布線技術，另外還須根據(jù)最大的匹配延時以及用到的過孔數(shù)量嚴格控制差分線對的走線。

先進的PCB制造技術

高端FPGA的高管腳數(shù)和高管腳密度產生的另一個挑戰(zhàn)是需要將FPGA裝配到PCB上，然后再將它們連接到板上的其它IC。在很小的面積上有如此多管腳，以致采用普通PCB制造工藝幾乎不可能進行內部連線。其結果是，這些器件促進了先進PCB制造技術的采用，例如高密度互連(HDI)以及嵌入無源器件等。

HDI在PCB上使用IC制造技術。HDI層沉積在傳統(tǒng)PCB壓合層上(例如FR4)，可以制造出很窄的走線和很小的過孔(微過孔)，并很容易使扇出遠離高密度封裝，通常是球柵陣列(BGA)或芯片級封裝(CSP)。另外，使用這些HDI技術還需要能夠理解這種PCB和IC混合生產技術的專用PCB布局軟件。

HDI/微過孔的好處包括：

減少產品尺寸：PCB基板的高度和厚度降低，體積也減小了;

增加走線密度：每個器件的連線更多，而器件布置得更緊密;

降低成本：HDI能減少電路板的層數(shù)和面積，使每塊大的裸板能產出更多電路板，削減生產成本;

改善電氣性能：HDI的寄生效應只有通孔的十分之一，其引線更短，噪聲裕量更大;

降低無線電干擾(RFI)/EMI：因為地平面更接近或者就在表層，可利用地平面的分布電容，大大減少RFI/EMI;

提高散熱效率：HDI層的絕緣介質很薄，溫度梯度很高，可提高散熱性能;

提高設計效率：微過孔使雙面布局變得容易，還改善了器件管腳的走線(在焊盤上打過孔)，因而留出更多的內層布線空間;

提高良品率(DFM)：由于間隙很小，HDI板幾乎不需要壓合;

減少層數(shù)：通常需要10到12層板的表面貼技術(SMT)，采用HDI制造工藝只需6層就可以實現(xiàn);

縮短設計周期：由于采用埋孔，布線空間更充足，可顯著減少設計時間。

此外，這些高管腳數(shù)器件需要很多去耦電容和端接電阻以保證工作性能，傳統(tǒng)的SMD無源器件會占用表面層的寶貴面積。通過將這些無源器件嵌入到PCB內層，PCB的尺寸可大大減少，同時性能也能得到提高。

嵌入無源器件具有很多優(yōu)點，包括：

增加設計密度：將無源SMD移入到內層能讓其它器件布置得更緊密;

降低系統(tǒng)成本：雖然額外的步驟將增加生產成本，但是通過減少SMD并使電路板面積最小化，可降低整體系統(tǒng)成本;

減輕系統(tǒng)重量和電路板面積：去除SMD能減少電路板尺寸和重量;

提高性能：無源器件可以非?？拷性雌骷@可減少電感，提高性能;

提高可靠性和質量：需要裝配的SMD越少意味著潛在的焊接故障越少;

增加功能：為增加功能創(chuàng)造了機會，而不用擔心減少設計面積。

就像其它任何新興技術一樣，隨著支持它們的基礎技術的發(fā)展，其成本將下降。嵌入無源器件技術便是如此，它曾經僅用于非常前沿的設計，但現(xiàn)在它甚至用在那些要求小尺寸、高功能的消費類產品中。

嵌入無源器件的設計關鍵是要有便于高效設計的自動化工具。如果由人工來定義庫器件，那么要設計具有不同參數(shù)值和公差的數(shù)百個無源器件是不可能的，它需要由電阻和電容特性參數(shù)(來自元器件供應商)驅動的自動綜合算法。這些綜合算法驅動那些分析所有無源器件所需的權衡工具，并幫助確定最佳材料組合和外形尺寸。這些權衡工具有助于減少電路板上的器件數(shù)量，減少生產步驟和最終成本。

本文小結

從事電子產品設計的公司需要FPGA工具和PCB設計工具進行緊湊、雙向地整合，還需要EDA和FPGA供貨商緊密合作。有了這種整合與合作，他們才能達到上市時間和性能的目標，