基于FPGA的芯片設計及其應用

發(fā)布時(shí)間:2010-8-12 13:57    發(fā)布者:lavida
關(guān)鍵詞: FPGA
過(guò)去,半導體行業(yè)一直關(guān)注的兩個(gè)目標是縮小體積和提高速率。近 40年來(lái),對這些目標的追求促使行業(yè)發(fā)展符合摩爾定律,性能和電路密度每18個(gè)月翻倍。導致技術(shù)高速發(fā)展,蘊育了計算機革命、互聯(lián)網(wǎng)革命以及現在的無(wú)線(xiàn)通信革命。但同時(shí)也為此付出了代價(jià)。一種代價(jià)是物理上的。工藝技術(shù)上的每一次進(jìn)步都使得芯片晶體管的“關(guān)斷”電流增加,也就是待機功耗在增加。另一代價(jià)是金錢(qián)。每一工藝節點(diǎn)的開(kāi)發(fā)成本呈指數增加。  

在芯片設計中FPGA的優(yōu)勢是節約成本  

65nm和后續工藝節點(diǎn)上需要考慮的是合理的資金分配,而ASIC設計方法成本高,預期收益回報較低。設計人員應認真考慮使用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。這些器件解決了當今設計人員面臨的功耗問(wèn)題,有較好的ROI。  

FPGA設計的研發(fā)成本要比ASIC低幾個(gè)數量級,開(kāi)發(fā)人員設計FPGA時(shí),不用面對數百萬(wàn)美元的模板成本,不需要在晶體管級單元布局布線(xiàn)上的高級專(zhuān)業(yè)技能,也不需要昂貴的自動(dòng)設計工具和工藝庫。  

FPGA的可編程能力還避免了今后大量的研發(fā)開(kāi)支。在產(chǎn)品生命周期中,如果需要在已有設計中加入新功能,對FPGA重新進(jìn)行編程便可以簡(jiǎn)單地實(shí)現功能改進(jìn)。而對ASIC設計進(jìn)行微小的改動(dòng)也需要在新模板上投入大量人力物力。  

認識到可編程優(yōu)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)人員可能會(huì )考慮基于處理器的ASIC設計方法。在這一方面,FPGA同樣具有優(yōu)勢?删幊踢壿嬙趯(shí)現功能上效率要比軟件高得多,和基于處理器的設計相比,不但降低了功耗,而且提高了任務(wù)執行速度。在基于處理器的設計中,FGPA的確經(jīng)常被用作硬件加速器。  

各種客戶(hù)群大量采用FPGA,使FPGA的產(chǎn)效在消費類(lèi)設計上和大批量ASIC水平相當。量產(chǎn)也使得FPGA供應商有足夠的收益來(lái)切實(shí)投入研發(fā)。結果, FPGA在體系結構、設計和工藝上是目前最先進(jìn)的技術(shù),足以和最好的ASIC進(jìn)行競爭。而且,研發(fā)上的投入也保證了FPGA成為功能更強大、質(zhì)量更好的可靠器件。  

對量產(chǎn)的預測已經(jīng)得到證實(shí)。在過(guò)去幾年中,FPGA的收益超出了半導體市場(chǎng)的總體水平,而且有加速發(fā)展的趨勢,原因在于芯片技術(shù)的復雜度越來(lái)越高,業(yè)界大量應用降低了對產(chǎn)品量產(chǎn)的預期。所有因素都對FPGA更加有利,而非ASIC。  

隨著(zhù)半導體技術(shù)在65nm上的突破,人們越來(lái)越關(guān)心功耗和開(kāi)發(fā)成本問(wèn)題。使用這些技術(shù)的芯片物理設計遇到了更多的挑戰,ASIC設計方法實(shí)現起來(lái)更加困難。設計人員轉向基于FPGA的設計后,能夠從芯片物理設計難題中抽身而出,讓FPGA公司去解決這些問(wèn)題,把精力集中在應用和系統設計的核心能力以及價(jià)值定位上。  

基于FPGA的芯片設計方法  

1、基于FPGA的電路設計流程如下:邏輯設計—網(wǎng)表設計—FPGA的初始布局—自動(dòng)布局—自動(dòng)布線(xiàn)—產(chǎn)生加載FPGA的配置位圖。  

2、基于FPGA的芯片設計的設計方法:  

(1) 選擇適當型號的芯片,以提高性能和價(jià)格比。  

(2) 邏輯設計中盡可能采用適合于FPGA特性的電路,充分、高效、合理地利用FPGA資源。由于門(mén)陣列芯片固有的特點(diǎn),即資源的數量及種類(lèi)固定,因此在電路設計中應采用相應的對策,以便揚長(cháng)避短,充分發(fā)揮FPGA芯片的功效,基于以上考慮,以下兩點(diǎn)顯得尤為必要。一點(diǎn)是充分利用單元庫中提供的宏單元,另一點(diǎn)是盡可能地減少邏輯設計中的線(xiàn)網(wǎng)長(cháng)度和數量,這里所說(shuō)的線(xiàn)網(wǎng)長(cháng)度,指的是該線(xiàn)網(wǎng)所連接的邏輯單元的數量的總和。  

(3) 精心布局,以提高整個(gè)系統的性能。  

(4) 手工調整布線(xiàn),充分利用長(cháng)線(xiàn)資源,確保設計出的芯片滿(mǎn)足設計需求。與自動(dòng)布局一樣,自動(dòng)布線(xiàn)系統布出的線(xiàn)業(yè)經(jīng)常存在著(zhù)明顯的不合理,對布線(xiàn)進(jìn)行人工干預也是十分必要的。  

(5) 運用自動(dòng)布局布線(xiàn)工具、布出具有同樣功能的多塊芯片。  

XILINX基于FPGA的芯片設計整體解決方案  

通過(guò)縮短開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和將它們推向市場(chǎng)所需的時(shí)間,Xilinx 可編程邏輯解決方案能夠幫助電子設備制造商將風(fēng)險降至最低水平。  

您能夠以比傳統方法(如掩模編程的、固定邏輯門(mén)陣列)快得多的速度設計和驗證 Xilinx 可編程器件中獨特的電路。并且,因為 Xilinx 器件是只需要進(jìn)行編程的標準產(chǎn)品,所以您無(wú)需等待原型,也無(wú)需支付大量的非經(jīng)常性工程(NRE)成本。  

解決方案的軟件部分對于每個(gè)設計項目的成功而言都是至關(guān)重要的。Xilinx 軟件解決方案提供了功能強大的工具,從而能夠簡(jiǎn)化利用可編程邏輯進(jìn)行設計的步驟。按鈕設計流程、集成式在線(xiàn)幫助、多媒體輔導資料和高性能自動(dòng)與自動(dòng)交互式工具能夠幫您獲得最佳結果。并且,業(yè)界最廣泛的可編程邏輯技術(shù)和 EDA 集成選項可以提供無(wú)可比擬的設計靈活性。  

領(lǐng)先的芯片產(chǎn)品、先進(jìn)的軟件解決方案和世界級的技術(shù)支持造就了 Xilinx 解決方案。  

專(zhuān)題闡述  

本專(zhuān)題首先介紹了FPGA在芯片設計領(lǐng)域的優(yōu)勢及這其中的一些關(guān)鍵技術(shù),在舉例說(shuō)明了它的應用特點(diǎn)之后,以XILINX在芯片設計領(lǐng)域的重點(diǎn)產(chǎn)品和整體解決方案做為收尾,使讀者從基礎理論知識到具體的應用實(shí)踐都有清晰的了解,同時(shí)也對基于FPGA 的芯片設計過(guò)程的認識更加融會(huì )貫通。
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