基于FPGA的芯片設計及其應用

過去，半導體行業(yè)一直關注的兩個目標是縮小體積和提高速率。近 40年來，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個月翻倍。導致技術高速發(fā)展，蘊育了計算機革命、互聯網革命以及現在的無線通信革命。但同時也為此付出了代價。一種代價是物理上的。工藝技術上的每一次進步都使得芯片晶體管的“關斷”電流增加，也就是待機功耗在增加。另一代價是金錢。每一工藝節(jié)點的開發(fā)成本呈指數增加。

　　在芯片設計中FPGA的優(yōu)勢是節(jié)約成本

　　65nm和后續(xù)工藝節(jié)點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可編程門陣列(FPGA)。這些器件解決了當今設計人員面臨的功耗問題，有較好的ROI。

　　FPGA設計的研發(fā)成本要比ASIC低幾個數量級，開發(fā)人員設計FPGA時，不用面對數百萬美元的模板成本，不需要在晶體管級單元布局布線上的高級專業(yè)技能，也不需要昂貴的自動設計工具和工藝庫。

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

　　認識到可編程優(yōu)點的開發(fā)人員可能會考慮基于處理器的ASIC設計方法。在這一方面，FPGA同樣具有優(yōu)勢。可編程邏輯在實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，而且提高了任務執(zhí)行速度。在基于處理器的設計中，FGPA的確經常被用作硬件加速器。

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

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

　　隨著半導體技術在65nm上的突破，人們越來越關心功耗和開發(fā)成本問題。使用這些技術的芯片物理設計遇到了更多的挑戰(zhàn)，ASIC設計方法實現起來更加困難。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公司去解決這些問題，把精力集中在應用和系統(tǒng)設計的核心能力以及價值定位上。

　　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—網表設計—FPGA的初始布局—自動布局—自動布線—產生加載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。由于門陣列芯片固有的特點，即資源的數量及種類固定，因此在電路設計中應采用相應的對策，以便揚長避短，充分發(fā)揮FPGA芯片的功效，基于以上考慮，以下兩點顯得尤為必要。一點是充分利用單元庫中提供的宏單元，另一點是盡可能地減少邏輯設計中的線網長度和數量，這里所說的線網長度，指的是該線網所連接的邏輯單元的數量的總和。

　　(3) 精心布局，以提高整個系統(tǒng)的性能。

　　(4) 手工調整布線，充分利用長線資源，確保設計出的芯片滿足設計需求。與自動布局一樣，自動布線系統(tǒng)布出的線業(yè)經常存在著明顯的不合理，對布線進行人工干預也是十分必要的。

　　(5) 運用自動布局布線工具、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

　　通過縮短開發(fā)產品和將它們推向市場所需的時間，Xilinx 可編程邏輯解決方案能夠幫助電子設備制造商將風險降至最低水平。

　　您能夠以比傳統(tǒng)方法（如掩模編程的、固定邏輯門陣列）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 器件是只需要進行編程的標準產品，所以您無需等待原型，也無需支付大量的非經常性工程（NRE）成本。

　　解決方案的軟件部分對于每個設計項目的成功而言都是至關重要的。Xilinx 軟件解決方案提供了功能強大的工具，從而能夠簡化利用可編程邏輯進行設計的步驟。按鈕設計流程、集成式在線幫助、多媒體輔導資料和高性能自動與自動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和 EDA 集成選項可以提供無可比擬的設計靈活性。

　　領先的芯片產品、先進的軟件解決方案和世界級的技術支持造就了 Xilinx 解決方案。

　　專題闡述

　　本專題首先介紹了FPGA在芯片設計領域的優(yōu)勢及這其中的一些關鍵技術，在舉例說明了它的應用特點之后，以XILINX在芯片設計領域的重點產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踐都有清晰的了解，同時也對基于FPGA 的芯片設計過程的認識更加融會貫通。