關(guān)于FPGA產(chǎn)品的調(diào)研報告(四大廠商)

1、關(guān)于FPG修品的調(diào)研報告（四大 r商）20關(guān)于FPGA產(chǎn)品的調(diào)研報告1 Altera (Intel)Altera (現(xiàn)已被Intel收購)作為世界老牌可編程邏輯器件的廠家，是90年代以后發(fā)展最快的可編程邏輯器件的供應(yīng)商，在日本和亞太地區(qū)用的人多。Altera FPGA可提供多種可配置嵌入式SRAM、高速收發(fā)器、高速I/O、邏輯模塊以及布線；具結(jié)合帶有 軟件工具的可編程邏輯技術(shù)，縮短了 FPGA開發(fā)時間，降低了功耗和成本。1.1 開發(fā)軟件a) MAX+PLUSII :普遍認(rèn)為MAX+PLUSII曾是最優(yōu)秀的PLD開發(fā)平臺之一，適 合開發(fā)早期的中小規(guī)模 PLD/FPGA ,現(xiàn)由Quartus II

2、替代，不再推薦使用；b) Quartus II: Altera新一代FPGA/PLD開發(fā)軟件，適合新器件和大規(guī)模 FPGA 的開發(fā)，已經(jīng)取代MAX+PLUSII 。1.2 產(chǎn)品系列Altera的主流FPGA分為兩大類，一種側(cè)重低成本應(yīng)用，容量中等，性能可以滿 足一般的邏輯設(shè)計要求，如 Cyclone, CycloneII等；還有一種側(cè)重于高性能應(yīng)用， 容量 大，性能可滿足各類高端應(yīng)用，如 Startix, StratixII等，用戶可以根據(jù)自己實際應(yīng)用要 求進(jìn)行選擇。Altera FPGA主要分為Stratix系列、Arria 系列、Cyclone系列、MAX 系列。在性能可以滿足的情況下，優(yōu)

3、先選擇低成本器件。1.2.1 Stratix 系列Stratix FPGA 系列是Altera的第一代高端FPGA系列，在FPGA上同時實現(xiàn)了高 性能體系結(jié)構(gòu)和高度集成特性。Stratix系列產(chǎn)品具有的特性是革命性的，而且還在不斷 發(fā)展。表1列出了 Stratix系列的各個器件。表1. Stratix器件系列Stratix系列推出 年份 工藝StratixStratixGXStratix200220032004130nm 130nm 90nmStratixII GXStratix Stratix StratixIII IV V200520062008Stratix102010201390nm

4、65nm 40nm 28nm 14nmStrati系列xStratixStratixGXStratixILStratixII GXStratixIIIStratixIVStratixV技術(shù)Stratix10三柵1.2.1.1Stratix FPGA(1) Stratix FPGAStratix FPGA能夠提供80K邏輯單元(LE)以及7.3Mbits片內(nèi)RAM ,這些資源排 列在TriMatrix 存儲器模塊中，工作速度高達(dá)350 MHz。Stratix FPGA支持外部存儲器 接口，例如：400Mbps 的 DDR SDRAM、800Mbps 的 QDRII SRAM 。Stratix F

5、PGA 還 引入了世界上第一款數(shù)字信號處理 (DSP)模塊，含有4個18 x 18乘法器、累加器和求 和單元。(2) Stratix GX FPGA在Stratix FPGA 高性能體系結(jié)構(gòu)特性基礎(chǔ)上，Stratix GX FPGA 是第一款具有多 千兆速率高速串行收發(fā)器的可編程邏輯器件。使用收發(fā)器模塊支持4路全雙工通道和時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)技術(shù)，每通道數(shù)據(jù)傳輸超過了 3.1875Gbps。這一數(shù)據(jù)速率支持很多 常見的高速通信協(xié)議，包括：Serial Lite、千兆以太網(wǎng)、萬兆以太網(wǎng)/XAUI、SONET/SDH、 光纖通道、Serial Rapid IO 標(biāo)準(zhǔn)、PCI Express、SF

6、I-5,以及 SPI-5 等。1.2.1.2Stratix II FPGA(1) Stratix II FPGAStratix II FPGA作為大容量高性能FPGA ,可在最高效的器件中實現(xiàn)高密度邏輯 設(shè)，從而獲得高性能和很好的信號完整性。該器件基于1.2V、90nm、SRAM工藝，具有15,600至179,400個等價邏輯單元(LE) , 9Mbits片內(nèi)RAM , 1,170個用戶I/O引腳， 高度優(yōu)化的數(shù)字信號處理(DSP)模塊中具有384個(18x18)嵌入式乘法器。在Stratix系列的基礎(chǔ)上，Stratix II具有創(chuàng)新的邏輯結(jié)構(gòu)，高性能的DSP模塊和片 內(nèi)存儲器，高速I/O引腳

7、和外部存儲器接口。Stratix II采用TSMC低k絕緣工藝技術(shù)， 具有180K等價邏輯單元(LE)和9 Mbits嵌入式存儲器，Stratix II FPGA 是性能最好、 密度最高的90nm FPGA ,具有Altera的冗余技術(shù)，極大的提高了產(chǎn)量，降低了器件成 本，同時優(yōu)化了器件總功耗。(2) Stratix II GX FPGAStratix II GX 器件融合了 Stratix II體系結(jié)構(gòu)，具有20個全雙工、高性能、多千兆 位收發(fā)器。收發(fā)器在整個600-Mbps至6.375-Gbps工作范圍內(nèi)具有優(yōu)異的抖動性能，同 時保持了最低功耗。Stratix II GX FPGA 一個器

8、件中集成了 20個基于用化器/解用器 （SERDES）的收發(fā)器，可為多千兆位串行I/O的應(yīng)用和協(xié)議提供強(qiáng)大的解決方案。Stratix II GX FPGA 具有同類最佳的信號完整性。其收發(fā)器的體系結(jié)構(gòu)可成功的工 作在數(shù)據(jù)速率高達(dá)6.375Gbps的50" （1.25 m）傳輸線上，采用標(biāo)準(zhǔn)FR-4材料制作的電 路板和背板上，以及2.5Gbps的30m PCIe電纜上。對此，收發(fā)器包括了一些特性以確 保如此高的速率下的信號完整性，同時保持了低功耗。這包括：即插即用信號完整性和 業(yè)界第一款自適應(yīng)均衡器 Altera的自適應(yīng)散射補償引擎（ADCE）;具有動態(tài)選擇信 號完整性的物理介質(zhì)附加（

9、PMA）層（包括鎖相環(huán)（PLL）體系結(jié)構(gòu)）；收發(fā)器動態(tài)重新配置 支持多種協(xié)議、數(shù)據(jù)速率和物理介質(zhì)附加子層 （PMA）設(shè)置；與最相近的競爭方案相比， 電路經(jīng)過優(yōu)化，功耗降低了一半。Stratix II GX FPGA 可提供全面的協(xié)議解決方案。 Stratix II GX FPGA 是目前很多 高速串行應(yīng)用中關(guān)鍵協(xié)議全面解決方案的組成。為 PCI Express、CEI-6G、串行數(shù)字接 口（SDI）、千兆以太網(wǎng)、Serial Rapid IO （SRIO） 、XAUI、SerialLite II、光纖通道以及 SONET標(biāo)準(zhǔn)提供支持。這一全面的解決方案包括：專用物理編碼子層（PCS）協(xié)議電路、

10、Altera及其AMPPSM合作伙伴提供的優(yōu)化協(xié)議知識產(chǎn)權(quán)（IP）、與協(xié)議相關(guān)的特征報告、 資料和參考設(shè)計、專用協(xié)議開發(fā)套件、Stratix II GX 版PCI Express開發(fā)套件、Stratix II GX版音頻視頻開發(fā)套件。Stratix II GX FPGA 具有創(chuàng)新的邏輯結(jié)構(gòu)。Stratix II GX FPGA 采用了 Stratix II FPGA中創(chuàng)新的自適應(yīng)邏輯模塊（ALM）邏輯結(jié)構(gòu)，使用TSMC的90-nm低k絕緣工 藝技術(shù)，經(jīng)過優(yōu)化提高了性能，控制了電流泄漏。一片 Stratix II GX FPGA能夠提供 20個高速串行收發(fā)器，以及130K等價邏輯單元（LE）、6

11、.7Mbits的嵌入式存儲器，252 個（18位x18位）乘法器能夠高效實現(xiàn)高性能濾波器和其他數(shù)字信號處理 （DSP）功能。1.2.1.3Stratix III FPGAStratix III器件系列是結(jié)合高性能、高密度和低功耗的高端FPGA,其性能隨著設(shè)計容量的提高更加明顯。Stratix III器件經(jīng)過設(shè)計，最低的功耗需求比Stratix II低50%, 沒有熱沉或者強(qiáng)制空氣散熱帶來的可靠性風(fēng)險，性能比 Stratix II提高了 25%,容量是 Stratix II FPGA的兩倍，具有高達(dá)533-MHz DDR3的高性能存儲器接口，性能達(dá)到 1.6Gbps的LVDS ,在LVDS I/

12、O上支持串行千兆位介質(zhì)無關(guān)接口 （SGMII）。Stratix III GX 器件含有工作速率高達(dá) 6.5GHz的同類最佳嵌入式收發(fā)器，以極低的功耗實現(xiàn)了高性 能邏輯和片內(nèi)用化器/解用器（SERDES）的完美組合。Altera Stratix III FPGA 提供三種型號，分別針對邏輯、 DSP和存儲器以及收發(fā)器 進(jìn)行了優(yōu)化：Stratix III L器件主要針對邏輯較多的應(yīng)用，Stratix III E器件主要針對 DSP和存儲器較多的應(yīng)用，Stratix III GX 器件含有多吉比特收發(fā)器。可編程功耗技術(shù)使Stratix III邏輯架構(gòu)能夠在邏輯陣列模塊（LAB）級進(jìn)行編程，根據(jù)設(shè)計需

13、求提供高速或者低功耗邏輯。在這種方式中，只有很少比例的電路是關(guān)鍵時 序電路，需要采用高速設(shè)置，而其他電路則采用低功耗設(shè)置，使低功耗邏輯的功率泄漏 降低了 70%。止匕外，沒有使用的邏輯以及 DSP模塊和TriMatrix 存儲器進(jìn)入低功耗模 式,進(jìn)一步降低了功耗。1.2.1.4Stratix IV FPGA在先進(jìn)成熟的Stratix III體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，Stratix IV FPGA實現(xiàn)了大容量、功能 豐富的高性能內(nèi)核架構(gòu)。結(jié)合靈活的I/O、寬帶收發(fā)器和存儲器接口，Stratix IV FPGA滿足了無線通信、固網(wǎng)、軍事、廣播和其他市場領(lǐng)域?qū)Ω叨藬?shù)字系統(tǒng)的需求。具有以下關(guān)鍵優(yōu)勢：a）高密度：

14、具有 680K邏輯單元（LE）、22.4Mbits嵌入式存儲器和 1,360 個18x18乘法器；b）高性能：具有2個速率等級優(yōu)勢；c）系統(tǒng)帶寬：具有 8.5Gbps的48個高速收發(fā)器，以及 1,067 Mbps （533 MHz） DDR3存儲器接口；d）低功耗：在40nm優(yōu)勢和可編程功耗技術(shù)的支持下，比市場上的其他同 類高端FPGA功耗低50%;e） PCI Express 硬核知識產(chǎn)權(quán) （IP） Gen1 （2.5 Gbps）和 Gen2 （5.0 Gbps）, 4個x8模塊，實現(xiàn)了全端點或者根端口功能；f）優(yōu)異的信號完整性：能夠驅(qū)動 50”背板，速度達(dá)到6.375Gbps,支持即 插即

15、用信號完整性。Stratix ? IV FPGA系列包括以下三種器件型號：Stratix IV GT （基于收發(fā)器）FPGA、Stratix IV GX （基于收發(fā)器）FPGA、Stratix IV E （增強(qiáng)型器件）FPGA。Stratix IV GT （基于收發(fā)器）FPGA :具有530K邏輯單元（LE）和48個全雙工基于 CDR的收發(fā)器，速率達(dá)到11.3Gbps。Stratix IV GX （基于收發(fā)器）FPGA :具有530K邏輯單元（LE）和48個全雙工基于 CDR的收發(fā)器，速率達(dá)到 8.5 Gbps。Stratix IV E （增強(qiáng)型器件）FPGA:具有 820K LE , 23.

16、1Mbit RAM , 1,288個 18 x 18 位乘法器。Stratix IV FPGA支縱向移植，在每一系列型號中都能靈活的進(jìn)行器件選擇。而 且，Stratix III和Stratix IV E器件之間有縱向移植途徑，因此，我們可以在Stratix III 器件上啟動設(shè)計，不需要改動 PCB就能夠轉(zhuǎn)到容量更大的 Stratix IV E 器件上。1.2.1.5Stratix V FPGAAltera 28-nm Stratix V FPGA在高端應(yīng)用中實現(xiàn)了業(yè)界最大帶寬和最高系統(tǒng)集成 度，非常靈活，降低了成本和總功耗。該 系列包括四個器件型號：a）帶有收發(fā)器的Stratix V GX

17、FPGA:集成了 66個全雙工、支持背板應(yīng) 用的14.1-Gbps收發(fā)器，以及高達(dá)800 MHz的6 x72位DIMM DDR3 存儲器接口，支持芯片至芯片/芯片至模塊。適用于高性能、寬帶應(yīng)用。；b)帶有增強(qiáng)數(shù)字信號處理(DSP)功能和收發(fā)器的Stratix V GS FPGA :集成 了 4,096個18位x18位高性能精度可調(diào)乘法器、支持背板應(yīng)用的48個全雙工、 14.1-Gbps收發(fā)器，以及高達(dá) 800 MHz的7 x72位DIMM DDR3 存儲器接口， 支持背板、芯片至芯片/芯片至模塊，適用于高性能精度可調(diào)數(shù)字信號處理(DSP) 應(yīng)用。；c)帶有收發(fā)器的Stratix V GT FP

18、GA :集成了 4個28-Gbps收發(fā)器，32個 全雙工、提供28.05G收發(fā)器、支持12.5Gbps背板應(yīng)用的收發(fā)器，以及高達(dá)800 MHz的4 x72位DIMM DDR3存儲器接口，適用于需要超寬帶和超高性能的 應(yīng)用，例如，40G/100G/400G應(yīng)用；d) Stratix V E FPGA :具有 950K LE、52 Mb RAM、704 個 18 位 x 18 位 高性能精度可調(diào)乘法器和840個I/O ,適用于ASIC原型開發(fā)。1.2.1.6Stratix 10 FPGAStratix 10設(shè)備采用了革命性的英特爾 HyperFlex? FPGA架構(gòu)和英特爾14納米 三柵極制造工藝

19、，與上一代的高性能FPGA相比，內(nèi)核性能提高一倍，同時功耗降低70%,在性能、功耗、密度和系統(tǒng)集成方面具有業(yè)界無與倫比的顯著優(yōu)勢。Stratix 10產(chǎn)品家族系列有 Stratix 10 GX FPGA、Stratix 10 SX 系統(tǒng)芯片、Stratix 10 TX FPGA、 Stratix 10 MX FPGA 。a) Stratix 10 GX FPGA :專為滿足高吞吐量系統(tǒng)的高性能要求而設(shè)計，可 提供高達(dá)10萬億次的浮點性能，其收發(fā)器在芯片模塊應(yīng)用、芯片到芯片應(yīng)用 和背板應(yīng)用中可支持高達(dá) 28.3 Gbps的速度；b) Stratix 10 SX :系統(tǒng)芯片采用硬處理器系統(tǒng)， 除具

20、備Stratix 10 GX 設(shè) 備的所有功能之外，支持各種密度的64位四核ARM Cortex-A53處理器；c) Stratix 10 TX FPGA :將H-tile收發(fā)器和 E-tile收發(fā)器相結(jié)合，提供 了業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的收發(fā)器功能。E-tile收發(fā)器提供雙模收發(fā)器功能，允許單個收 發(fā)器信道在PAM-4模式下以最高56 Gbps的速度運行，在 NRZ模式下以 最高30 Gbps的速度運行。Stratix 10 TX FPGA 還支持 Stratix GX 和SX 產(chǎn)品系列的其他突破性創(chuàng)新；d) Stratix 10 MX FPGA :在一個封裝中將 Stratix 10 FPGA 和系統(tǒng)

21、芯片 的可編程性和靈活性與 3D堆疊高帶寬內(nèi)存 2 (HBM2)融合在一起，支持 H-tile收發(fā)器和E-tile收發(fā)器。1.2.2 Arria 系列Arria系列作為中端系列，適用于對成本和功耗敏感的收發(fā)器以及嵌入式應(yīng)用。Arria FPGA系列提供豐富的存儲器、邏輯和數(shù)字信號處理(DSP)模塊資源，結(jié)合28.05Gbps收發(fā)器優(yōu)異的信號完整性，可集成更多的功能并提高系統(tǒng)帶寬。 而且Arria V器件系列的SoC FPGA還具有基于ARM的硬核處理器系統(tǒng)（HPS）,進(jìn)一步提高了集成 度，降低了功耗。表2列出了 Arria的各個器件。表2.Arria器件系列Arria系列推出 年份技術(shù)Arri

22、aGX200790nmArria ArriaIIGZ2009 2010IIGXArria V Arria Arria 10GX,GT,SX V GZ GX,GT,SX20112012201340nm 40nm 28nm 28nm 20nm1.2.2.1 Arria GX FPGAArria GX FPGA 含有Altera的第四代收發(fā)器，是 Altera帶有收發(fā)器的中端FPGA 系列，其收發(fā)器速率高達(dá)3.125Gbps,可利用它來連接支持PCI Express、千兆以太網(wǎng)、 Serial Rapid IO、SDI等協(xié)議的現(xiàn)有模塊和器件。Arria GX收發(fā)器基于最初為Stratix II GX

23、 FPGA系列而成功開發(fā)，所有系列均采用 90nm工藝技術(shù)生產(chǎn)，使用相同的物理介 質(zhì)附加（PMA）電路。Arria GX 還含有Stratix II GX FPGA 物理編碼子層（PCS）的子集。 結(jié)合倒裝焊封裝，這些特性在低成本收發(fā)器FPGA中可確保設(shè)計具有優(yōu)異的信號完整性。1.2.2.2 Arria II FPGAArria II FPGA 基于全功能40nm FPGA架構(gòu)，含有成本最低的 6.375Gbps收發(fā)器 FPGA，靜態(tài)功耗比競爭產(chǎn)品低50%。它包括自適 應(yīng)邏輯模塊（ALM）、數(shù)字信號處理（DSP） 模塊和嵌入式RAM ,以及硬核PCI Express? IP 。相比其他的6G收

24、發(fā)器FPGA系列， Arria II FPGA 實用性更強(qiáng)，可更迅速地完成工程 設(shè)計。該器件系列有兩個型號：a） Arria II GX FPGA :現(xiàn)在發(fā)售的 Arria II GX FPGA 有速度最快的收發(fā) 器、LVDS和存儲器，以最低的成本和功耗實現(xiàn)了豐富的功能。同時該型號 FPGA提供16個6.375-Gbps收發(fā)器，非常適合專業(yè)攝像機(jī)的輸出處理等多種 應(yīng)用。b） Arria II GZ FPGA: Arria II GZ FPGA 是新型號，具有 Arria II GX FPGA的成本和功耗優(yōu)勢，進(jìn)一步拓展了器件的功能，適合寬帶應(yīng)用。該型號包括24個6.375-Gbps收發(fā)器，密度

25、更大，存儲器更多，數(shù)字信號處理 （DSP） 功能更強(qiáng)。Arria II FPGA 支持縱向移植，因此，用戶可以先采用一個器件開始設(shè)計，以后需 要的時候，將設(shè)計轉(zhuǎn)換到密度不同的器件上。1.2.2.3 Arria V FPGAArria V FPGA 可為遠(yuǎn)程射頻單元、10G/40G線路卡以及廣播演播設(shè)備等中端應(yīng)用 實現(xiàn)單位帶寬最低功耗，是需要高達(dá) 12.5Gbps收發(fā)器低功耗設(shè)計的理想選擇。Arria V GX和GT FPGA使用了 28 nm低功耗工藝實現(xiàn)了最低靜態(tài)功耗，設(shè)計了具有硬核IP的優(yōu)異架構(gòu)從而降低了動態(tài)功耗。在 10G數(shù)據(jù)速率，Arria V GZ FPGA 每通道功耗不 到180m

26、W;在12.5Gbps,每通道功耗不到 200mW; Arria V GZ FPGA 的-3L速率等 級器件進(jìn)一步降低了靜態(tài)功耗。與前一代中端FPGA相比，Arria V器件的平均功耗降低了 40%。Arria V SoC FPGA在一個基于ARM的用戶可定制芯片系統(tǒng)（SoC）中集成了分立處 理器、FPGA和數(shù)字信號處理（DSP）功能。SoC FPGA使用寬帶互聯(lián)干線鏈接，在FPGA 架構(gòu)中集成了 HPS（包括處理器、外設(shè)和存儲器控制器），降低了系統(tǒng)功耗和成本，減小 了電路板面積，提高了系統(tǒng)性能。HPS與Altera的28-nm低功耗FPGA架構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)了應(yīng)用類ARM處理器的性能，它還具備

27、了 Arria V FPGA靈活的數(shù)字信號處理 （DSP）功能，同時可實現(xiàn)硬核知識產(chǎn)權(quán)（IP）的性能、低功耗特性以及可編程邏輯的靈活 性。1.2.2.4 Arria 10 FPGAArria 10設(shè)備具有業(yè)界唯一的硬核浮點數(shù)字信號處理（DSP）模塊，速率高達(dá)每秒1.5 Tera次浮點運算（TFLOPS）,實現(xiàn)了新的DSP性能水平；止匕外，Arria 10系列提供 可編程邏輯行業(yè)僅有的20 nm基于ARM的SoC,可提供高達(dá)1.5 GHz的時鐘速度，相 比競爭FPGA和SoC可提供高出一個速度等級的內(nèi)核性能和高達(dá)20%的最高頻率優(yōu)勢。與前一代中端 FPGA相比，英特爾的Arria 10 FPGA

28、和SoC性能提高了 60%, 功耗降低了 40%,而與前一代高端FPGA相比，性能提高了 15%,功耗降低了 60% o 目前Arria 10器件系列型號主要包括：Arria 10 GT、GX、SX FPGA。a） Arria 10 GT:支持78個全雙工收發(fā)器，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 25.78Gbps芯 片至芯片,背板達(dá)到12.5Gbps,還有1,150K等價LE;b） Arria 10 GX :支持96個全雙工收發(fā)器，數(shù)據(jù)速率高達(dá)17.4Gbps芯片 至芯片,背板達(dá)到12.5Gbps,還有1,150K等價LE ;c） Arria 10 SX : SoC 支持雙核 ARM Cortex-A9 HPS

29、 , 48 個全雙工收發(fā) 器,數(shù)據(jù)速率高達(dá)17.4Gbps芯片至芯片，背板達(dá)到12.5Gbps,還有660K等 價LE 01.2.3 Cyclone 系歹!JCyclone系列作為低端系列，可滿足客戶對低功耗、低成本設(shè)計的需求。每一代 Cyclone FPGA在提供集成度和性能的前提下，降低功耗，并滿足低成本要求，表 3出 了 Cyclone的各個器件。表3. Cyclone器件系列Cyclon系列eCycloneCycloneIICycloneIIICyclone IVCyclone VCyclo10推出年J 份匚2002200420072?0092011201工藝技 術(shù)13um190nm是

30、否建 議新設(shè) 計使用否否是是1是1.2.3.1 Cyclone FPGACyclone-13um FPGA作為Altera中等規(guī)模FPGA,基于成本優(yōu)化的全銅 1.5V SRAM而開發(fā)，與Stratix結(jié)構(gòu)類似，是大容量、高密度、低成本的最佳解決方案，適合作為中低端應(yīng)用的通用FPGA oCyclone FPGA綜合考慮了邏輯、存儲器、鎖相環(huán)(PLL) 和高級I/O接口，采用新的串行配置器件的低成本配置方案，其嵌入式存儲器資源支持多種存儲器應(yīng)用和數(shù)字信號處理(DSP)實現(xiàn)，專用外部存儲器接口電路支持與DDRFCRAM和SDRAM器件以及SDR SDRAM存儲器的連接，同時支持串行總線和網(wǎng)絡(luò) 接口

31、以及多種通信協(xié)議，片內(nèi)和片外系統(tǒng)時序管理使用嵌入式PLL ,支持單端I/O標(biāo)準(zhǔn)和差分I/O技術(shù)，LVDS信號數(shù)據(jù)速率高達(dá)640Mbps,是Altera最成功的器件之一。1.2.3.2 Cyclone II FPGA在Altera大獲成功的第一代Cyclone器件系列基礎(chǔ)上，Cyclone II FPGA從根本上 針對低成本進(jìn)行設(shè)計，為成本敏感的大批量應(yīng)用提供用戶定制特性，采用 90nm工藝， 1.2V內(nèi)核供電，以低于 ASIC的成本實現(xiàn)了高性能和低功耗。Cyclone II作為CycloneFPGA的下一代產(chǎn)品，其密度分布范圍廣，含有豐富的存儲器和嵌入式乘法器，并提供 多種封裝選擇。同時支持低

32、成本應(yīng)用中常見的各種外部存儲器接口和I/O協(xié)議。1.2.3.3 Cyclone III FPGACyclone III FPGA 系列采用全層銅、低k、1.2V SRAM工藝設(shè)計，在TSMC非常 成功的90-nm工藝技術(shù)上使用300mm圓晶片開發(fā)，優(yōu)化實現(xiàn)了最小管芯體積。該系列 設(shè)立了功耗標(biāo)準(zhǔn)，采用臺積電(TSMC)的低功耗(LP)工藝技術(shù)進(jìn)行制造，實現(xiàn)了靜態(tài)功 耗不到1/4W。這一 FPGA系列主要包括：a) Cyclone III :是功耗最低、成本最低的高性能 FPGA,含有120K垂直 排列的邏輯單元(LE)、以9Kbit (M9K)模塊排列的4Mbits嵌入式存儲器和200 個18x

33、18嵌入式乘法器；b) Cyclone III LS：是安全特性、功耗最低的 FPGA,在布局上提供豐富 的存儲器和乘法器資源，包括 200K邏輯單元、8.2Mbits嵌入式存儲器和396 個嵌入式乘法器。該系列在硬件、軟件和知識產(chǎn)權(quán)(IP)層面上率先實現(xiàn)了一系列安全特性，可保證用戶IP不被篡改、逆向剖析和克隆。而且通過設(shè)計分離 特性，用戶可在一個芯片中實現(xiàn)冗余功能，從而減小了實際應(yīng)用的體積、重量 和功耗。以上體系結(jié)構(gòu)都含有非常高效的互聯(lián)和低偏移時鐘網(wǎng)絡(luò)，在時鐘邏輯結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)信 號之間提供互聯(lián)。邏輯和走線內(nèi)核架構(gòu)周圍是I/O單元(IOE)和鎖相環(huán)(PLL)。1.2.3.4 Cyclone IV

34、 FPGAAltera Cyclone IV FPGA拓展了 Cyclone FPGA系列的領(lǐng)先優(yōu)勢，為市場提供成本 最低、功耗最低并具有收發(fā)器的 FPGA。Cyclone IV系列采用經(jīng)過優(yōu)化的低功耗工藝， 提供150,000個邏輯單元(LE)，總功耗降低了 30%,適合低成本、小外形封裝，同時滿 足越來越大的帶寬需求并降低了成本。該系列包括：a) Cyclone IV GX FPGA :體系結(jié)構(gòu)包括150K垂直排列的邏輯單元(LE)、 以9-Kbit (M9K)模塊形式排列的6.5 Mbits嵌入式存儲器，以及 360個18x18 嵌入式乘法器。在 Cyclone系列中，Cyclone I

35、V GX FPGA 新增加了 8個速率 高達(dá)3.125Gbps的集成收發(fā)器；b) Cyclone IV E FPGA:適用于多種通用邏輯應(yīng)用，體系結(jié)構(gòu)包括 115K 垂直排列的LE、以9-Kbit (M9K)模塊形式排列的4Mbits嵌入式存儲器，以及 266個18x18嵌入式乘法器。邏輯和走線內(nèi)核架構(gòu)周圍是I/O單元(IOE)和鎖相環(huán)(PLL) , GX和E型號有4個通 用PLL,位于管芯的每個角上。Cyclone IV GX FPGA在管芯頂部、底部和右側(cè)排列了 I/O單元，而Cyclone IV E FPGA在管芯四邊都有I/O。Cyclone IV GX 管芯左側(cè)是8 個收發(fā)器，排列在

36、兩個塊中，每個塊含有 4個收發(fā)器。每個收發(fā)器塊的頂部和底部是多 用途PLL (MPLL)，可以供收發(fā)器使用，也可以由 FPGA架構(gòu)使用。Cyclone IV FPGA可有效的降低系統(tǒng)成本。該系列只需要兩路電源供電，簡化了電 源分配網(wǎng)絡(luò)，降低了電路板成本，減小了電路板面積，縮短了設(shè)計時間。對于 Cyclone IV GX FPGA，在前沿的低功耗Cyclone IV FPGA體系結(jié)構(gòu)中引入集成收發(fā)器，簡化了 電路板設(shè)計和集成，進(jìn)一步降低了成本，而且靈活的收發(fā)器時鐘體系結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)收發(fā)器 所有可用資源的利用。利用Cyclone IV GX FPGA的靈活性和高度集成特性，可以設(shè)計 出體積更小、成本更

37、低的器件，進(jìn)而降低系統(tǒng)總成本。Cyclone IV E FPGA可有效降低功耗。該系列采用經(jīng)過優(yōu)化的60-nm低功耗工藝，拓展了前一代Cyclone III FPGA的低功耗優(yōu)勢。最新一代器件降低了內(nèi)核電壓，與前 一代產(chǎn)品相比總功耗降低了 25%。采用Cyclone IV GX收發(fā)器FPGA,用戶可以開發(fā) 功耗不到1.5瓦的PCI Express至千兆以太網(wǎng)橋接應(yīng)用。Cyclone IV GX FPGA采用了 Altera成熟的GX收發(fā)器技術(shù)，具有出眾的抖動性能 和優(yōu)異的信號完整性。PCI-SIG兼容收發(fā)器型號支持多種串行協(xié)議。Cyclone IV GXFPGA為根端口和端點配置的 PCI E

38、xpress x1、x2和x4提供唯一的硬核知識產(chǎn)權(quán)（IP） 模塊。1.2.3.5 Cyclone V FPGACyclone V FPGA系列采用TSMC的28nm低功耗工藝以及小尺寸封裝選項 （如 11x11 mm2）,與前幾代產(chǎn)品相比，總功耗降低了 40%,靜態(tài)功耗降低了 30%,其性能 水平使得該器件系列成為大批量應(yīng)用優(yōu)勢的理想選擇。 Cyclone V FPGA提供低功耗的 用行收發(fā)器，每通道在5Gbps時功耗只有88mW,處理性能高達(dá)4000MIPS,而功耗不 到1.8W,此外它具有高效的邏輯集成功能以及基于 ARM的硬核處理器系統(tǒng)（HPS）的 SoC FPGA 型號。內(nèi)核FPGA

39、架構(gòu)中精度可調(diào)數(shù)字信號處理（DSP）模塊、多端口存儲器控制器和多功能PCI Express Gen2增強(qiáng)IP等豐富的硬核知識產(chǎn)權(quán) （IP）模塊可實現(xiàn)更低的系 統(tǒng)總成本并在更短的設(shè)計時間完成更多的工作。作為一種可以馬上使用的功能，這些硬 核IP模塊簡化了開發(fā)過程，進(jìn)一步降低了功耗，在增強(qiáng)存儲器控制器方面，相對于軟 核邏輯占用了更少的電路板空間，而且節(jié)省了很多的邏輯資源，從而用于實現(xiàn)獨特的功 能，進(jìn)而突出產(chǎn)品優(yōu)勢。1.2.3.6 Cyclone 10 FPGA與前幾代 Cyclone FPGA相比，Cyclone 10系列可節(jié)省更多的成本和功耗。該系 列主要包括：Cyclone 10 GX FPG

40、A、Cyclone 10 LP FPGA。通過基于12.5G收發(fā)器的 功能、1.4Gbps LVDS 和最高 72位寬 1,866 Mbps DDR3 SDRAM 接口，Cyclone 10 GX FPGA可為用戶提供高帶寬。Cyclone 10 LP設(shè)備提供低靜態(tài)功耗、成本優(yōu)化的功能。（1） Cyclone 10 GX FPGACyclone 10 GX FPGA是基于高性能20nm工藝構(gòu)建的首款低成本器件，可針對成 本敏感型應(yīng)用發(fā)揮其性能優(yōu)勢。該產(chǎn)品支持12.5Gbps收發(fā)器I/O，具有高性能1,866Mbps外部存儲器接口、1.434Gbps LVDS I/O以及符合IEEE754的硬核

41、浮點DSP模塊。因此 Cyclone 10 GX FPGA非常適合需要增加核心級別和 I/O性能級別的各類應(yīng)用，因為 對可伸縮處理和加速的需求會增加系統(tǒng)要求。（2） Cyclone 10 LP FPGACyclone 10 LP FPGA基于節(jié)能的60nm工藝，并提供了一系列IP塊(如I2C、申 行外設(shè)接口(SPI)、UART和并行I/O模塊)和支持超過500個I/O的封裝，與前代 產(chǎn)品相比，最新一代的設(shè)備可將核心靜態(tài)功耗降低多達(dá)50%,因此該產(chǎn)品非常適合需要更低靜態(tài)功耗的成本敏感型應(yīng)用。 所有Cyclone 10 LP FPGA僅需兩個核心電源即可 運行，可簡化配電網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省電路板成本、電路

42、板空間和設(shè)計時間，其出色的靈活性， 可在成本較低的小設(shè)備中完成設(shè)計，從而降低您的總體系統(tǒng)成本。Cyclone 10 GX和LP系列都支持垂直遷移，可先在一個器件上開始進(jìn)行設(shè)計，然 后在完成設(shè)計后再將其遷移至相鄰的器件。1.2.4 MAX 系列MAX 10 FPGA采用了先進(jìn)的工藝，在低成本、 單芯片小外形封裝的編程邏輯器件 中實現(xiàn)了先進(jìn)的處理功能，是革命性的非易失集成器件。MAX 10 FPGA采用TSMC的55 nm嵌入式NOR閃存技術(shù)制造，通過提供瞬時接通的雙配置和模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC),在成熟可靠的FPGA功能中集成新特性。具集成功能包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和雙配置閃存，支持在一個

43、芯片上存儲兩個鏡像，在鏡像間動態(tài)切換。與 CPLD不同， MAX 10 FPGA還包括全功能FPGA功能，例如，Nios II軟核嵌入式處理器支持、數(shù) 字信號處理(DSP)模塊和軟核DDR3存儲控制器等。2 XilinxXilinx(賽靈思)作為FPGA的發(fā)明者，是世界領(lǐng)先的可編程邏輯完整解決方案的供 應(yīng)商，用戶主要集中在歐洲和美國地區(qū)。全球 FPGA產(chǎn)品的60%以上是由Altera和 Xilinx提供。與采用傳統(tǒng)方法如固定邏輯門陣列相比，利用 Xilinx FPGA可編程器件， 客戶可以更快地設(shè)計和驗證他們的電路， 而且由于Xilinx FPGA器件是只需要進(jìn)行編程 的標(biāo)準(zhǔn)部件，客戶不需要像

44、采用固定邏輯芯片時那樣等待樣品或者付出巨額成本。因此Xilinx FPGA可編程邏輯解決方案縮短了電子設(shè)備制造商開發(fā)產(chǎn)品的時間并加快了產(chǎn) 品面市的速度，從而減小了制造商的風(fēng)險。2.1 開發(fā)軟件a) ISE: Xilinx公司集成開發(fā)的工具；b) Foundation : Xilinx公司早期的開發(fā)工具，逐步被 ISE取代； c) ISE Webpack ： Webpack是xilinx提供的免費開發(fā)軟件，功能比ISE少一些。2.2 產(chǎn)品系列Xilinx FPGA主要分為兩大類，一種側(cè)重低成本應(yīng)用，容量中等，性能可以滿足一 般的邏輯設(shè)計要求，如Spartan系列；還有一種側(cè)重于高性能應(yīng)用，容量大

45、，性能能滿 足各類高端應(yīng)用，如 Virtex系列，用戶可以根據(jù)自己實際應(yīng)用要求進(jìn)行選擇。XilinxFPGA主要分為Spartan系列、Virtex系列、Kintex系列、Artix系列、Zynq系列。在 性能可以滿足的情況下，優(yōu)先選擇低成本器件。2.2.1 Spartan 系歹!JSpartan系列成本低廉，總體性能指標(biāo)不是很優(yōu)秀，適合低成本應(yīng)用場合，是Xilinx 在低端FPGA市場上的主要產(chǎn)品。目前市場上，該系列主要包括Spartan-3、Spartan-3A、 Spartan-3E、Spartan-6、Spartan-7 等。2.2.1.1Spartan-3 FPGASpartan-3

46、系列FPGA全球第一款90nm工藝FPGA , 1.2V內(nèi)核供電，可提供五種 平臺選擇，每種選擇都能實現(xiàn)可編程邏輯、連接功能和專用硬IP的獨特成本優(yōu)化型平 衡，從而充分滿足低成本應(yīng)用的需求。a) Spartan-3A DSP : DSP 優(yōu)化適用于需要集成型 DSP MAC和擴(kuò)展存儲器的應(yīng)用；理想適用于需要低成本 FPGA的設(shè)計，支持軍用無線電、監(jiān)控攝像頭、 醫(yī)學(xué)成像等信號處理應(yīng)用。b) Spartan-3AN :非易失性面向需要非易失性系統(tǒng)集成、安全性、大型用戶Flash的應(yīng)用；理想適用于空間關(guān)鍵型或安全應(yīng)用以及低成本嵌入式控制器。c) Spartan-3A/AN : I/O 優(yōu)化適用于I/

47、O數(shù)量和功能重要性高于邏輯密度的應(yīng)用；AN系列還帶有內(nèi)部配置FLASH。理想適用于橋接、差分信號和存儲器接口應(yīng)用，支持寬接口或多接口以 及一定的處理功能。d) Spartan-3E -邏輯優(yōu)化Xilinx第一款支持SPI FLASH配置的FPGA,使配置成本更低； 適用于邏輯密度重要性高于I/O數(shù)量的應(yīng)用；理想適用于邏輯集成、DSP協(xié)處理和嵌入式控制，支持較強(qiáng)的處理功 能以及較窄或數(shù)量不多的接口。e) Spartan-3 -適用于最高密度和引腳數(shù)量的應(yīng)用 適用于高邏輯密度和高I/O數(shù)量同等重要的應(yīng)用； 理想適用于高度集成的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。2.2.1.2Spartan-6 FPGASpartan-

48、6-45nm FPGA器件可提供各種業(yè)界領(lǐng)先的連接特性，如高邏輯引腳比、小型封裝、MicroBlaze? 軟處理器、800Mb/s DDR3支持以及各種多樣化支持性 I/O 協(xié)議等。這些器件采用 45nm技術(shù)構(gòu)建，是汽車信息娛樂、消費類以及工業(yè)自動化中 各種高級橋接應(yīng)用的理想選擇。其關(guān)鍵特性如下表：表4. Spartan-6 FPGA關(guān)鍵特性價值可編程的系統(tǒng)集成提升的系統(tǒng)性能BOM成本削減總功耗削減加速設(shè)計生產(chǎn)力關(guān)鍵特性I/O連接的高引腳數(shù)與邏輯之比； 超過40個I/O標(biāo)準(zhǔn)可簡化系統(tǒng)設(shè)計; 具有集成型端點模塊的 PCI Express。 高達(dá)8個低功耗3.2Gb/s串行收發(fā) 器；帶有集成內(nèi)存控

49、制其的 800Mb/sDDR3。針對系統(tǒng)I/O擴(kuò)展進(jìn)行了成本優(yōu)化； MicroBlaze處理器軟IP可消除外部 處理器或MCU組件。1.2V內(nèi)核電壓或1.0V內(nèi)核電壓選項; 睡眠節(jié)電模式支持零功耗。通過ISE Design Suite實現(xiàn)：無成本、前端到后端(front-to-back )面向 Linux 和 Windows 的 FPGA設(shè)計解決方案價值關(guān)鍵特性 但用整合向?qū)Э焖偻瓿稍O(shè)計2.2.1.3 XA Spartan-3 FPGAXA Spartan-3 系歹U FPGA 主要包括 XA Spartan-3A、3A DSP、3E,其中：a) XA Spartan-3E FPGA :是全球

50、五款針對邏輯優(yōu)化、成本最低、特性齊 全的平臺之一，具有100K1.6M個系統(tǒng)門、66376個I/O接口和密度移植 功能。b) XA Spartan-3A FPGA :是世界上成本最低、針對I/O進(jìn)行了優(yōu)化的、 特性齊全的4款平臺之一，帶有 200K1.4M系統(tǒng)門、195375個I/O和密 度移植功能。其關(guān)鍵特性如下表：c) Spartan-3A DSP FPGA :針對DSP應(yīng)用實現(xiàn)最高的系統(tǒng)集成度進(jìn)行 了優(yōu)化，是成本敏感型 DSP算法和需要高 DSP性能的協(xié)處理應(yīng)用的理想之 選。XA Spartan-3 FPGA 關(guān)鍵特性如下表：表5. XA Spartan-3 FPGA 關(guān)鍵特性關(guān)鍵特性X

51、ASpartan-3EXASpartan-3ASpartan-3A DSP雙電源管 理模式器件DNA安全性卜DSP48A-84 126嵌入式處 理多級存儲 器架構(gòu) 領(lǐng)先的連 接功能平 臺可配置邏 輯模塊CLB精確的時 鐘管理資全面的配置功能a）大量器件/封裝選項；b）業(yè)界最全面的IP庫；低成本c）領(lǐng)先的嵌入式和DSP解決方案;d）高效、經(jīng)濟(jì)的板設(shè)計；e）允許采用更少的元件； f）通過減少外部元件的數(shù)量提高系統(tǒng)的可靠性。a）填補傳統(tǒng)DSP處理器和高端ASIC與安全性與高性能a）獨特的 Device DNA 序列號（57位），有助 于防止設(shè)計克隆、未授 權(quán)過度構(gòu)建和反向工程；b）用以提供IP的安全

52、 機(jī)制；c）可定制算法，能夠?qū)崿F(xiàn) 安全性以及故障響應(yīng)。Virtex類解決方案 之間的DSP性能空 白;b）成本優(yōu)化的DSP 架構(gòu)實現(xiàn)了出色的 性能和功耗；c）在成本更為敏感的 應(yīng)用內(nèi)實現(xiàn)新應(yīng)用， 如客戶端無線接入、 便攜式超聲波、數(shù)字 顯示器、監(jiān)視、視頻 處理；d） 3500億次乘累加操 作/秒（GMACS ）。全面支持汽車要求a）擴(kuò)展了溫度范圍的XA FPGA ,有汽車I級（Tj = -40 C +100 °C）和汽車 Q 級（Tj =-40 C +125 C）可供選擇；b）無鉛封裝滿足RoHS指令的要求2.2.1.4 XA Spartan-6 FPGAXilinx汽車（XA） S

53、partan-6 FPGA系列是Xilinx推出的最新一代汽車級器件，基 于商用 Spartan-6 FPGA系列。XA Spartan-6 FGPA利用公認(rèn)的低功耗 45nm、9金 屬銅層、雙重氧化處理技術(shù)制造而成，符合嚴(yán)格的汽車器件級要求。該系列擴(kuò)展了汽車I級（Tj = -40 C +100 C）和汽車Q級（Tj = -40 C +125 C）的支持溫度范圍，符 合RoHS規(guī)范的無鉛封裝，利用 AES和Device DNA提高了 IP安全性，利用帶有 MMU和FPU的嵌入式MicroBlaze?實現(xiàn)了更好的操作系統(tǒng)（OS）支持。其競爭優(yōu) 勢如下：表6. XA Spartan-6 FPGA

54、關(guān)鍵特性價值風(fēng)險、性能與集一成度的均衡視頻與圖像性關(guān)鍵特性a）邏輯單元多達(dá)75,000個b）集成PCI Express模塊c）雙寄存器6輸入LUT邏輯結(jié)構(gòu)d）面向低成本HSTL和SSTI存儲器接口的多電壓、多標(biāo)準(zhǔn) SelectIO技術(shù)庫e）多條時鐘管理通道，每條均包含 2個DCM 和 1 個 PLLf）高達(dá)1000MHz的時鐘控制a） 8個低功耗3.125Gbps GTP串行收發(fā)器，實現(xiàn)實時高帶寬視頻吞吐量b）集成式存儲器控制器，支持800Mbps存 取速率，實現(xiàn)視頻幀的快速緩沖c）低功耗 250MHz DSP48A1 slice ,帶有18x18乘法器，實現(xiàn)實時視頻處理價值供鍵特性a）高速接

55、口支持，可以實現(xiàn)多照相機(jī)連接， 功能最大化接口b）高速串行性能，可以實現(xiàn)接線和板空間 要求最小化c）集成式端點模塊，可以實現(xiàn)主處理器的 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接2.2.1.5Spartan-7 FPGA成本優(yōu)化組合新成員 Spartan-7-28nm FPGA器件采用小型封裝并提供業(yè)界最高的 性能功耗比，可滿足最苛刻的要求。這些器件包含MicroBlaze軟處理器， 運行速率超過200DMIPS,具有800Mb/s DDR3支持.此外，Spartan-7器件可在所有商業(yè)類器件上 提供集成ADC,專用安全功能和 Q級（-40+ 125）。這些器件是工業(yè)、消費類應(yīng) 用以及汽車應(yīng)用的理想選擇，其中包括任意連接、

56、傳感器融合以及嵌入式視覺等應(yīng)用。 其關(guān)鍵特性如下表：表7. Spartan-7 FPGA關(guān)鍵特性關(guān)鍵特性一可編程的系統(tǒng)集成I/O連接的高引腳數(shù)與邏輯之比；MicroBlaze 處理器軟 IP;集成式安全監(jiān)控一達(dá)到 1.25Gb/s LVDS;高度靈活的軟內(nèi)存控制器支持每秒速度比45nm器件系列快30%;提升的系統(tǒng)性能25.6Gb的峰值 DDR3-800內(nèi)存帶寬價值關(guān)鍵特性BOM成本削減總功耗削減加速設(shè)計生產(chǎn)力用于集成離散模擬及監(jiān)控電路的XADC 與 SYSMON ;針對系統(tǒng)I/O擴(kuò)展進(jìn)行了成本優(yōu)化。1.0V內(nèi)核電壓或 0.95V內(nèi)核電壓選 項；總功耗比45nm器件系列低50%。由 Vivado? HLx Design SuiteWebPack?啟動；Vivado IP集成器的自動建構(gòu)校正模塊級設(shè)計；具有可擴(kuò)展的優(yōu)化架構(gòu)、綜合全面的工 具以及IP核重用。2.2.2 Virtex 系列Virtex系列是Xilinx的高端產(chǎn)品，也是業(yè)界的頂級產(chǎn)品，Xil