Actel系列FPGA的特點(diǎn)
FPGA按照工藝來(lái)分，大致可分為SRAM架構(gòu)和Flash架構(gòu)的FPGA，SRAM架構(gòu)的FPGA由于掉電時(shí)無(wú)法保存數(shù)據(jù)，因此FPGA幾乎都需要增加一個(gè)昂貴的配置芯片，而且功耗也較大，在啟動(dòng)的時(shí)候需要很大的啟動(dòng)電流，給用戶帶來(lái)了極大的不便，因此新一代的Flash架構(gòu)的FPGA贏得了越來(lái)越多的用戶親睞。
1.Actel的Flash FPGA
Actel是美國(guó)軍方的合作伙伴，占據(jù)了美國(guó)90％以上航天航空的FPGA市場(chǎng)，在過(guò)去的10多年中，Actel反熔絲的FPGA已經(jīng)成功地應(yīng)用于300多個(gè)太空計(jì)劃。這些應(yīng)用足以證明Actel的FPGA在可靠性方面是毋庸置疑的。
反熔絲器件以軍用市場(chǎng)為主，未對(duì)民用市場(chǎng)開放，所以一直以來(lái)大家對(duì)Actel的印象都是若隱若現(xiàn)。直到2002年，其創(chuàng)新的基于Flash架構(gòu)的FPGA的出現(xiàn)，從此揭開了Actel神秘的面紗，Actel開始逐漸走向了民用市場(chǎng)被大家所認(rèn)知。第一款Flash架構(gòu)的FPGA是ProASIC，其等同于CPLD的單芯片特點(diǎn)以及超越CPLD的低功耗和大容量特點(diǎn)贏得了開發(fā)工程師的好評(píng)，越來(lái)越多的人使用Flash架構(gòu)的FPGA去替換原有的CPLD和SRAM的FPGA。
2005年Actel推出了第三代Flash架構(gòu)ProASIC3／E，ProASIC3／E的成功推出預(yù)示著新的一代FPGA之間的“競(jìng)爭(zhēng)”正式拉開了序幕，ProASIC3／E系列FPGA主要面向消費(fèi)、汽車及其它成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域。
過(guò)去10年來(lái)，F(xiàn)lash已發(fā)展成突破性的技術(shù)，對(duì)每個(gè)涉及領(lǐng)域都有著深遠(yuǎn)的影響。例如Flash技術(shù)使得手機(jī)、照相機(jī)和錄像機(jī)的下一代產(chǎn)品發(fā)生了革命性的變化，現(xiàn)在則對(duì)可編程邏輯市場(chǎng)帶來(lái)了同樣的沖擊。事實(shí)上，F(xiàn)PGA技術(shù)的主流平臺(tái)已發(fā)生了根本性的改變。
ProASIC3在各種雜志、媒體以及其它的相關(guān)的技術(shù)評(píng)選中頻頻獲獎(jiǎng)，例如《電子設(shè)計(jì)技術(shù)》、《便攜式產(chǎn)品》等，這些獎(jiǎng)項(xiàng)的獲得證明了它全面地被社會(huì)所認(rèn)可，在一定程度上表明了Flash架構(gòu)的FPGA將在未來(lái)有著舉足輕重的地位。與此同時(shí)，Actel在成熟的ProASIC3的基礎(chǔ)上衍生出了更多極具個(gè)性的系列產(chǎn)品。
●Fusion：業(yè)界首個(gè)帶有模擬功能的FPGA，集成了12位A／D、Flash Memory、RTC等功能部件使SoC成為現(xiàn)實(shí)。
●IGLOO：超低功耗的FPGA，具有獨(dú)特的Flash*Freeze睡眠模式，在該模式下最低功耗可達(dá)5μW，并能保存RAM和寄存器的狀態(tài)。
●IGLOO+：在IGLOO的基礎(chǔ)上對(duì)I／O進(jìn)行了優(yōu)化，提供超多的I／O口、支持斯密特觸發(fā)器輸入、熱插拔等特點(diǎn)。
●ProASIC3L：不僅具有ProASIC3的高性能，而且還具有低功耗的特性。
●Nano：業(yè)界最低功耗的FPGA，最低靜態(tài)功耗可達(dá)2μW，具有3minx3m的超小封裝，0.46美金的超低起定價(jià)。
這些系列都屬于Actel第三代技術(shù)的Flash架構(gòu)的FPGA，其不同的特點(diǎn)完全能夠滿足各種不同市場(chǎng)的需求，而且給用戶帶來(lái)了眾多的選擇以及為提升用戶產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力帶來(lái)了意想不到的效果，進(jìn)而Actel主推第三代的Flash器件自然而然地成為了令人矚目的新星。下面讓我們一起來(lái)共同開啟Actel第三代Flash架構(gòu)FPGA之旅。
2.Flash架構(gòu)FPG特點(diǎn)
如圖1所示，Actel所有Flash架構(gòu)的FPGA都具有相似的特點(diǎn)，但是每個(gè)系列又有各自獨(dú)特的個(gè)性，使得它們相互補(bǔ)充。相互促進(jìn)，為各行各業(yè)提供了獨(dú)一無(wú)二的選擇。
(1)先進(jìn)的Flash開關(guān)
Actel的FPGA是基于Flash架構(gòu)的FPGA，晶體管受7層金屬保護(hù)，采用130nm工藝，每個(gè)Flash開關(guān)僅由兩個(gè)品體管組成：一個(gè)用于對(duì)此開關(guān)進(jìn)行擦除、編程、校驗(yàn)等操作，另一個(gè)用于開關(guān)的選通。它具有占用硅片面積小、低阻抗和容性負(fù)載、非易失性等特點(diǎn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其實(shí)對(duì)FPGA進(jìn)行編程就是對(duì)這些開關(guān)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)連線的過(guò)程。
(2)單芯片
基于Flash架構(gòu)的FPGA掉電非易失性，一旦被編程，配置數(shù)據(jù)就成為FPGA結(jié)構(gòu)的一個(gè)固有部分，系統(tǒng)上電時(shí)不需要通過(guò)外部的配置芯片加載數(shù)據(jù)(這與基于SRAM的FPGA不同)。因此，基于Flash架構(gòu)的FPGA不需要EEPROM或MCU等器件來(lái)配置FPGA。除此之外，F(xiàn)usion還集成了12位A／D、Flash Memory、模擬I／O、RTC等模擬部分，這是世界上首創(chuàng)的模數(shù)混合技術(shù)的FPGA，不僅降低了外圍器件的費(fèi)用、節(jié)省了印刷電路板(PCB)的空間，同時(shí)又提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。
(3)高度安全性
Actel Flash架構(gòu)的FPGA的安全性體現(xiàn)在3個(gè)層次的保護(hù)：
第一層屬于物理層的保護(hù)，Actel第三代Flash架構(gòu)的FPGA的晶體管受7層金屬的保護(hù)，去除金屬層的難度非常大，很難實(shí)現(xiàn)反向工程(通過(guò)一定的手段去除金屬層后看到內(nèi)部晶體管的開關(guān)狀態(tài)從而重現(xiàn)設(shè)計(jì))；Flash FPGA非易失性，不需要外部的配置芯片，上電即可運(yùn)行，不需要擔(dān)心在配置過(guò)程中數(shù)據(jù)流被截取。
第二層是Flash Lock的加密技術(shù)，顧名思義是對(duì)Flash單元的鎖定作用，它是128位的加密算法，通過(guò)將密鑰下載到芯片中進(jìn)行加密來(lái)防止對(duì)芯片進(jìn)行非授權(quán)的操作。經(jīng)過(guò)加密的芯片，如果沒(méi)有密鑰就無(wú)法對(duì)芯片進(jìn)行編程、擦除、校驗(yàn)等。
第三層是采用國(guó)際上標(biāo)準(zhǔn)的AES加密算法對(duì)編程文件進(jìn)行加密的技術(shù)，AES是遵守美國(guó)聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)(FIPS)文獻(xiàn)192的一種加密算法，美國(guó)政府機(jī)構(gòu)使用它來(lái)保護(hù)敏感和公開信息。該算法可包含大約3.4×1038個(gè)128位密鑰。早期DES標(biāo)準(zhǔn)中密鑰的大小為56位，大約可提供7.2×1016個(gè)56位密鑰，2000年，NIST采用了AES標(biāo)準(zhǔn)來(lái)替代1977 DES標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了加密的可靠性。NIST通過(guò)舉例來(lái)說(shuō)明由AES提供的理論安全性，假設(shè)一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)可以在一秒鐘內(nèi)破解一個(gè)56位的DES密鑰，那么要破解一個(gè)128位AES密鑰可能要花費(fèi)大約149萬(wàn)億年，可想而知其安全性的可靠程度。
Actel Flash FPGA基于上述三重保護(hù)，使用戶寶貴的IP可以受到很好的保護(hù)，也讓遠(yuǎn)程ISP變成可能，它將為可編程邏輯設(shè)計(jì)提供最高的安全性。
(4)高可靠性
基于SRAM技術(shù)的晶體管不可避免存在兩種錯(cuò)誤：軟錯(cuò)誤(Soft Error)和固件錯(cuò)誤(Firm Error)，這是由于大氣中的高能粒子(中子、粒子)轟擊到SRAM的晶體管引起的。由于其帶有較高的能量，在碰撞某個(gè)晶體管過(guò)程中有可能改變晶體管的狀態(tài)。
所謂軟錯(cuò)誤主要是針對(duì)SRAM的存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)的，例如
SRAM、DRAM等。當(dāng)高能粒子轟擊到SRAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，會(huì)使得數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)生反轉(zhuǎn)，由原來(lái)的0變?yōu)?或者1變?yōu)?，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的暫時(shí)錯(cuò)誤。當(dāng)重新寫入數(shù)據(jù)后，該錯(cuò)誤又會(huì)消失。
所謂固件錯(cuò)誤是指當(dāng)SRAM FPGA配置單元或者布線結(jié)構(gòu)遭受到大氣中高能粒子的轟擊，而發(fā)生了邏輯功能的改變或者連線的錯(cuò)誤現(xiàn)象，最終的后果將會(huì)導(dǎo)致一次系統(tǒng)地徹底失敗，這種錯(cuò)誤將會(huì)一直存在直到被檢查修改為止。
Actel Flash架構(gòu)的FPGA對(duì)于固件錯(cuò)誤有很好的免疫作用，這是由于它獨(dú)特的Flash架構(gòu)所決定的，如果要改變一個(gè)Flash工藝的晶體管狀態(tài)需要一定的高壓，而一般的高能粒子是無(wú)法達(dá)到這個(gè)要求的，所以幾乎不存在這種威脅。
(5)低功耗
FPGA的功耗一般有4種：上電功耗、配置功耗、靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。一般的FPGA都具有這4種功耗，而Actel Flash FPGA由于上電不需要一個(gè)很大的啟動(dòng)電流，并且掉電非易失，不需要配置過(guò)程，所以只有靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，沒(méi)有上電功耗和配置功耗。
基于Flash架構(gòu)的FPGA每個(gè)可編程的開關(guān)都是由2個(gè)晶體管構(gòu)成，而基于SRAM技術(shù)的FPGA每個(gè)可編程開關(guān)是由6個(gè)晶體管構(gòu)成，所以單純從開關(guān)的功耗上分析，F(xiàn)lash FPGA的開關(guān)消耗功耗要比SRAM FPGA低很多。
Fusion系列支持低功耗的模式，芯片本身可提供一個(gè)1.5V電壓供內(nèi)核使用，并且可以通過(guò)內(nèi)部的RTC以及FPGA的邏輯實(shí)現(xiàn)掉電和喚醒的功能，以達(dá)到降低功耗的目的。Actel IGLOO和IGLOO+系列的FPGA更是為手持設(shè)備的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其獨(dú)特的Flash Freeze模式可以將靜態(tài)功耗最低降至5gW，并能保存RAM的數(shù)據(jù)。
Actel Flash FPGA無(wú)論是靜態(tài)功耗還是動(dòng)態(tài)功耗都會(huì)比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手低很多，可以應(yīng)用于對(duì)功耗敏感、需要低功耗的場(chǎng)合，例如PDA、游戲機(jī)等。
(6)內(nèi)可嵌高性能處理器
嵌入式系統(tǒng)中除了具有一顆高性能的FPGA以外，往往需要有一個(gè)處理器來(lái)處理一些算法或系統(tǒng)級(jí)的任務(wù)，一般的做法是通過(guò)一個(gè)8051或ARM芯片加上一個(gè)FPGA來(lái)完成，但是在某些場(chǎng)合對(duì)體積、成本有苛刻要求的時(shí)候，該方法的缺陷就被暴露無(wú)疑，而Actel針對(duì)該問(wèn)題提供了單芯片的SoC解決方案，將處理器嵌入到FPGA內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)單芯片的解決方案。時(shí)下Actel可以提供8位的CoreABC、Core8051、Core8051s處理器，可以提供32位的ARM7、CortexM1處理器，這些都是軟核，其外設(shè)可以由用戶裁減，打造獨(dú)一無(wú)二的用戶處理器芯片，另外Actel將會(huì)在2009年提供性能更優(yōu)、功能更強(qiáng)大的CortexM3硬核處理器，不占用FPGA的邏輯資源，完美地將FPGA和ARM結(jié)合在了單個(gè)芯片上，這將成為FPGA領(lǐng)域跨時(shí)代的里程碑。
(7)其它特點(diǎn)
除此之外，Actel的FPGA還具有低成本(最低0.46美元)、上電即行、小體積等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)可以根據(jù)用戶實(shí)際的情況來(lái)選擇。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-18
