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基于闪存FPGA的门阵列为设计带来更多灵活性

2018年12月02日 10:24 次阅读
今天基于闪存的门阵列不仅是一系列可配置的系统门,还包括了许多其它专用功能,可以缩减系统设计时间、提高逻辑利用率、降低系统成本和功率,并且在提供与可配置逻辑中实施的同等的功能时,提供更好的性能。预定义的专用功能块保留了基本的FPGA逻辑资源,并且在某些情况下,可实现一些不可能由FPGA中的逻辑模块来构建的功能。 为何使用闪存工艺? 在许多应用中,基于SRAM的FPGA器件也能够提供与基于闪存的FPGA相似的特性和功能。然而,由于这些FPGA使用SRAM单元来保持配置模式,当电源消失时,配置模式也消失了;在电源恢复时,系统必需重新载入配置模式,通常经由一个串行接口,这可能要花数十或数百毫秒的时间。 另一方面,在基于闪存的FPGA中,配置模式保存在芯片上的非易失性存储器单元,甚至电源被移除时,闪存单元中的内容仍然保持完好无缺;当系统重新启动时,FPGA可在数微秒内上电,节省了宝贵的时间,可让系统快速从电源故障或者重新启动中恢复。 过去,基于闪存的FPGA在密度、性能和片上特性,比如处理器内核、高速I/O通道和其它需要高密度的功能方面,也都落后于基于SRAM的器件。这种落后主要是由于缩减闪存单元的所需的挑战,通常闪存单元需要的尺寸超过了芯片上其余SRAM逻辑组件。更大的尺寸带来更低的性能,并且无法在FPGA上集成高性能处理器内核和其它功能。 然而,工艺技术的进步现在可让FPGA设计人员缩减闪存配置单元的尺寸,并且将它们集成进先进的逻辑工艺中,推动基于闪存的高性能FPGA提供不下于SRAM FPGA,甚至更加优越的特性和功能,并且通常具有更低的系统成本。此外,由于无需外部配置存储器,基于闪存的阵列器件具有更小的系统占位面积,并且消耗更少功率。 闪存技术已从专用工艺变成了主流工艺,使得基于闪存的FPGA器件可以在成本敏感的市场上进行竞争,同时提供超过150K LE的逻辑密度(图1)。闪存FPGA的集成功能还提供了可以帮助减少系统复杂性、降低系统功率和减少总体系统成本的系统级解决方案。 基于闪存FPGA的门阵列为设计带来更多灵活性
图1: 具有最高150K LE的FPGA有着许多市场机会,范围从大约3亿美元的国防和安全市场以至5亿美元的综合有线和无线市场
图 2 简明比较了闪存 FPGA与相近密度SRAM FPGA器件之集成特性。 基于闪存FPGA的门阵列为设计带来更多灵活性
图2:闪存FPGA与 SRAM FPGA的集成特性比较 (用于少于150K LE的器件)
虽然,基于闪存的 FPGA和同等密度的基于SRAM的 FPGA有许多共同之处,但除了闪存或SRAM配置性的不同之外,两者之间还有许多显著的特性区别,主要是I/O引脚的数目、SERDES通道的数目,以及基于闪存的 FPGA加入了高性能存储器子系统及嵌入式安全功能,包括AES256 或 SHA256加密/解密功能。 对于中等密度范围器件,设计人员在特性、I/O引脚,以及封装选项方面拥有丰富选择,能够满足任何一个系统需求。然而,不同的产品系列提供不同的特性组合,因而没有一个产品系列可以解决每一个系统需求。对于帮助设计人员降低系统复杂性的嵌入式系统支持功能,也有同样情况。许多基于闪存和基于SRAM的 FPGA器件均拥有相同的功能,比如PCIe端点、SRAM模块、DSP模块(可配置乘法器-累加器功能)等片上功能,以及可编程的逻辑模块。 然而,更多的独特功能,比如嵌入式处理器、存储控制器、多千兆位/秒SERDES端口,以及专用的数据保密/解密支持,则限于个别器件。 有功和待机模式下的功耗,通常是选择FPGA的决定性因素,尤其是如果最终系统必需在低功率模式下运作,或者在停电时必需以备份电池工作尽可能长的时间。 功率需求 图3显示了FPGA器件在系统启动和连续工作期间的不同运行模式。对比基于SRAM的FPGA器件,基于闪存的器件提供了诸多的节能优势,这是由于它们无涌入功率和配置功率,因此能够以显著低于SRAM FPGA器件的运行功率运作。 基于闪存FPGA的门阵列为设计带来更多灵活性
图 3: 功率考虑因素:SRAM FPGA对比闪存 FPGA
不断增长的连接性迫使设计人员更努力保持系统安全性,以防止黑客攻击及提供经由互联网与其它系统安全通信的能力。 然而,一个系统一旦连接至互联网便会成为黑客的目标,黑客可能会试图通过下载新的配置数据来损坏系统。为了防止这种情况发生,现在一些FPGA器件加入了安全子系统,确保仅有获授权的配置代码或控制程序会被载入和执行,这个过程称作“安全启动”。现在一些内置对策可防止物理攻击,比如防篡改和存储器的归零化,基于闪存的FPGA器件可以使用片上的安全快闪存储来保密密匙和关键数据。 今天的FPGA器件可以加入硬线系统安全模块以执行NIST认证的 AES256、SHA256和椭圆曲线加密算法,以期提供实时加密/解密。此外,还可以加入随机数发生器和物理不可克隆功能(PUF)。PUF可以用于在公匙基础设施(PKI)方案中生成私匙,仅为设备知晓,从而简化用户密匙管理;当然,随机数字也广泛用于密码协议。今天以安全为中心的SoC FPGA可以仅由获授权的加密位流来编程。某些设计人员会集成行业标准微控制器和子系统与内置安全功能。 今天FPGA器件的许多其它特性为网络和数据通信市场应用提供了系统解决方案。例如,加入片上每秒5千兆位SERDES端口和多个PCIe串行接口以作为高带宽接口,用于XAUI/XGXS和其它高速网络接口等应用。通过加入足够的通用I/O引脚,今天的FPGA器件还提供了必需的I/O引脚与内核逻辑比率,从而确保设计人员无需选择超过需求的尺寸较大FPGA器件来获得更高的I/O数目。最终,充足的静态RAM和嵌入式非易失性存储器(至少5兆位SRAM和4兆位eNVM)为设计人员提供了充足的存储以保存寄存器文件、高速缓存和缓冲存储,加上集成DSP模块,可让FPGA器件实施复杂的信号处理算法和网络协议,处理数据包检查,以及其它网络功能。 基于闪存的FPGA提供了广泛的功能,可让设计人员创建高集成度系统解决方案以降低系统成本、最小化印刷电路板面积和功率需求,并且提供超过SRAM FPGA的性能优势。

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