FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史和動(dòng)向

1.4 主流的FPGA芯片廠(chǎng)家及其代表產(chǎn)品

目前市場(chǎng)上FPGA芯片主要來(lái)自Xilinx公司和Altera公司。這兩家公司占據了FPGA 80%以上的市場(chǎng)份額，其他的FPGA廠(chǎng)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(mǎn)足應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(shí)現了最佳平衡?，F有的3款平臺如下。

(1)Virtex-5 LX平臺：針對高性能邏輯進(jìn)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(jìn)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(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(guò)3000萬(wàn)片，是業(yè)內首款大容量 FPGA 系列產(chǎn)品，帶有多個(gè)針對特定領(lǐng)域進(jìn)行了優(yōu)化的平臺。

(1)面向數字信號處理的Spartan-3A DSP平臺。

這個(gè)平臺對DSP進(jìn)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(lái)實(shí)現信號處理(如軍用無(wú)線(xiàn)電、監視照相機、醫學(xué)成像等)的應用設計。

(2)面向非易失性應用的Spartan-3AN 平臺。

這個(gè)平臺主要針對需要非易失性、系統集成、安全、大型用戶(hù)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(jìn)行了優(yōu)化。

這個(gè)平臺是針對那些I/O數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(gè)接口以及一定處理能力的應用。

② Spartan-3E平臺：針對邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。

這個(gè)平臺是針對那些邏輯密度比I/O數更重要的應用，特別適于邏輯集成、DSP協(xié)處理和嵌入式控制，這些需要進(jìn)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較多的應用。

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

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(dòng)態(tài)功耗比前代FPGA低了50%。

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

增強DSP模塊，方便實(shí)現了信號處理算法。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的內部存儲器，改進(jìn)了信號完整性存儲器接口。

高性能外部存儲器接口。

改進(jìn)了布線(xiàn)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(hù)的設計應用提供最好的性?xún)r(jià)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(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)現了低功耗、低成本和高性能，進(jìn)一步擴展了FPGA在成本敏感、大批量領(lǐng)域中的應用。

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(dòng)寬帶并行處理的發(fā)展。

Cyclone III 系列包括8個(gè)型號，具有5k～120k個(gè)邏輯單元(LE)，最多有534個(gè)用戶(hù)I/O引腳。Cyclone III器件具有4MB嵌入式存儲器、288個(gè)嵌入式18×18乘法器、專(zhuān)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(diǎn)，因此在電子產(chǎn)品設計領(lǐng)域得到了越來(lái)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(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計領(lǐng)域的前列，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非?？?。穩定性和可靠性是產(chǎn)品設計需要考慮的關(guān)鍵因素。廠(chǎng)家最新推出的FPGA系列產(chǎn)品一般都沒(méi)有經(jīng)過(guò)大批量應用的驗證。選擇這樣的芯片會(huì )增加設計的風(fēng)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(huì )很理想，價(jià)格也會(huì )偏高一些。如果成熟的產(chǎn)品能滿(mǎn)足設計指標要求，那么最好選這樣的芯片來(lái)完成設計。

例如，要用FPGA設計一塊數據采集卡。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系統設計一般采用硬件描述語(yǔ)言(HDL)來(lái)完成設計。這與基于CPU的軟件開(kāi)發(fā)又有很大不同。特別是算法實(shí)現的時(shí)候，在設計之前，很難估算這個(gè)算法需要占多少FPGA的邏輯資源。

作為代碼設計者，希望算法實(shí)現之后再選擇FPGA的型號。但是，現在的設計流程一般都是軟件和硬件并行開(kāi)始設計。也就是說(shuō)，在HDL代碼設計之前，就開(kāi)始硬件板卡的設計。這就要求硬件板卡具備一定的兼容性，可以兼容不同規模的FPGA芯片。

幸運的是，FPGA芯片廠(chǎng)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(diǎn)，將來(lái)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(gè)公司的產(chǎn)品

如果在整個(gè)電子系統中需要多個(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成本，而且降低開(kāi)發(fā)難度。因為開(kāi)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(shí)候都有過(guò)這個(gè)疑問(wèn)。其實(shí)這兩個(gè)最大的FPGA廠(chǎng)家位于美國的同一座城市，人員和技術(shù)交流都很頻繁，因此產(chǎn)品各有的優(yōu)勢和特色，很難說(shuō)清楚誰(shuí)好誰(shuí)壞。

在全球不同的地區，這兩家公司的FPGA芯片產(chǎn)品的市場(chǎng)表現會(huì )有所差別。在中國市場(chǎng)，兩家公司可以說(shuō)是平分秋色，在高校里面Altera的客戶(hù)會(huì )略多一些。針對特定的應用，兩個(gè)廠(chǎng)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(gè)公司的產(chǎn)品還是看開(kāi)發(fā)者的使用習慣。