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浅谈FPGA 器件设计技术发展综述

2014-5-21 15:59| 发布者: dzly| 查看: 575| 评论: 0|原作者: 张 鹏

摘要: FPGA器件作为一种可编程逻辑器件,在社会发展的推动下,迎来了前所未有的发展机遇且实现了 较大的突破,已经引起了人们的高度重视。近年来,社会各生产领域应用的需求走向多样化,更为该器件的设计技术的改革和 发展注入了新活力,使其在计算机、通信、汽车电子等诸多领域得到了广泛的运用。在此背景下,FPGA 器件设计技术的发展逐 渐成为了人们谈论的重要课题。故此,笔者以FPGA 的概念为切入点,对其以往的发展历程进行了回顾,并对当前主流现场可编 程门阵列器件的前沿设计技术进行了总结,为其今后的发展前景进行展望

  0 引言
  随着社会经济的不断发展,电子技术和超大规模集成电路技术也得到了很大的发展,极大地促进了集成电路走向集成化,使集成主板上的系统规模不断扩大,对系统设计也提出了新的、较高的要求。现场可编程门阵列是超大规模集成电路技术的一种,它的运用极为广泛,如在通信、图形处理、计算机等多个领域扮演着越来越重要的角色,已成为当前电子系统中不可或缺的组成部分,FPGA 器件设计也逐渐成为人们关注的课题。
  1 FPGA 概述
  目前,FPGA 已在社会各生产领域得到了广泛的运用,是当今电子系统中不可缺少的组成部分,它在电子系统中起着关键性的作用。社会生产技术的不断发展,极大地促进了FPGA 的发展,由此, FPGA 器件的设计也备受电子技术工作人员的青睐,成为他们设计的重要课题之一。
  1.1 FPGA 概念
  FPGA 即现场可编程门列阵,它的出现极大地促进了电子技术、数字系统设计的发展。它是基于PAL、GAL、CPLD 等可编程器件产生的新型事物,它运用于集成电路领域且起着重要的作用,它不仅很好地弥补了传统可编程器件门电路数有限的缺陷,还为集成电路技术的发展奠定了技术基础,明确了发展方向。
  1.2 FPGA 器件设计技术的优势
  现场可编程门阵列可以进行可编程使用的信号处理,以其改变配置信息的功能特点引起了社会各界人士的高度重视。FPGA具有传统数字电路系统没有的优势,如可编程、集成程度高和运行速度快等优势,可以通过配置有关器件内部的逻辑功能和输入、输出端口来将其与原来的电路板连接起来,这样就可以使电路的性能得到提高,更好地消除电路运行过程中的不利影响,从而使工作的灵活性和效率得到较大的提高。
  它具有ASIC 没有的优势,在市场上占有绝对的地位。在当今的社会背景下,产品进行定位和进入市场后,要想进行改进和优化具有很大的困难,而对于FPGA 的设计,它可以得到很大的发展,逐渐发展为专用的芯片,以此来突破原有的市场模式进行改进和优化。
  2 FPGA 的发展历程
  2.1 FPGA 的以往发展
  FPGA 源于上个世纪七十年代,在这之后它凭借着其通用型能力好、适应性强的优势,抢占发展先机,得到了迅速的发展。另外,它使传统器件的固定功能发生了翻天覆地的变化,极大地推动了传统器件功能的研制和发展。在当今的社会背景下,FPGA拥有了强大的功能,用户要实现所需要的逻辑功能只需通过编程的方式,不再需要传统的芯片功能。
  FPGA 本身就具备了门阵列器件的高度集成、通用性强的特点, 再加上其拥有用户可编程灵活度高、在规模、密度上发展不受整体框架限制的优势。在此前提下,FPGA 得到了迅速的发展,并且其在各个领域的作用也日益凸显。
  2.2 FPGA 的发展趋势
  随着时代的推进和社会的进步,FPGA 市场日益完善和规范,传统的市场模式已不复存在[2]。如今,FPGA 的生产商家更是寥寥无几,虽然市场上也陆陆续续地出现一些新厂家,但因其缺乏技术底蕴,远远落后于老牌厂家,很多厂家都无法长久地经营下去,最终走向倒闭。然而根据那些老牌厂家的生产和研究分析,FPGA 具有集成程度高、结构灵活、结构可靠的优点,可以不断地进行研制。另外,随着半导技术的不断完善和发展,这一技术也得到了广泛的运用,据此可知,FPGA 有着广阔的发展前景且会得到很大的发展。
  3 FPGA 设计技术
  3.1 flash 和E2PROM 编程技术
  经过《高等学校教材:FPGA 设计基础》的学习,我们了解了Flash 和EZPROM 技术在应用的过程中具有稳定性好、非易失性的特点, 在设计的过程中及时关闭电源, 其内部存数的信息也不会发生损坏和丢失。在设计工作中, 如果采用Flash 进行设计, 那么其内部的存储单元会自动取消EZPROM 隧道型存储单元选择关, 通过采用一个信号一次性擦除的方式来存储信息, 进而增加器件的继承性。这一技术与SBAM 相比较, 它结合了非易失性和可重复性的变成特点, 因此具备着工作效率高、稳定性好的优势。下面就来看看flash 技术的相关原理图和E2PROM 技术的存储器芯片图:

  3.2 反熔丝变成技术
  反熔丝变成技术以往是开路状态存在的,在编程技术的发展后,反熔丝结构发生了一定的变化,瞬间产生的热损耗现象极为普遍,使其薄绝层的物质发生融化反应,逐渐形成永久性的通道。
  该技术具有了FPGA 的非易失性和稳定性优势,得到了广泛的运用,能够有效缓解信号传输路径的电阻和电容问题,另外其还具有高安全性。但是在应用过程中,该技术的缺陷也是极为明显的,主要表现为: 无法重复变成、不能用于新产品开发; 一次性进行编程且无法进行可靠检测; 在不同工艺下其所造成的工作差异也相当大。
  3.3 SRAM 编程技术
  《高等学校教材:FPGA 设计基础》中对SRAM 编程技术进行了相关的介绍, SRAM 编程技术作为最基本的编程技术,它是利用对传输管的控制和存储信息的读写来进行工作的。在其设计过程中,当传输管道接通时,SRAM 单元内存储的信息可以在数据传输端读取或改写;当传输管中断时,存储的信息就会被首尾相连的反相器锁定。下面是SRAM 技术六管单元结构原理结构如图3 所示:4 FPGA 前沿设计技术的发展前景
  随着半导体技术的不断发展,FPGA 器件在半导体器件的地位越来越明显,每进行一次技术的革新,FPGA 产品的功耗、频率和密度等方面都会有明显的变化,下面就来介绍目前深亚微米工艺给FPGA 带来的挑战,在此基础上,预测FPGA 前沿设计技术的发展前景。
  受到深亚微米制造工艺的巨大影响,晶体管的特征尺寸不断减小,而FPGA 的密度和速度却在不断提高,芯片上的集成功能更为繁杂,静态功耗的不断增加等因素严重刺激了传统半导体设计技术的改变。以下是相关分析:第一,从FPGA 器件的良率来看,其密度和速度都在不断提高,这就要求我们不能忽视纳米级的加工而带来的生产良率的问题。半导体工艺造成的影响是来自多方面的,为了能够从根本上解决工艺所导致的性能偏离问题,就必须用新的方法和流程进行设计,更好地消除因不稳定性造成的不良影响。
  第二,从信号的完整性来看,高速信号带来的电磁兼容(EMI) 问题日益凸显:金属线宽和间距的不断减小,使互连线之间的串扰现象更加严重,交叉耦合电容、耦合电感和IR 压降等现象带来的影响都是极为重大的。信号完整性问题使传统的设计和生产工艺面临着严峻的挑战,给芯片设计者,IP 厂商,半导体加工厂带来了巨大的压力。
  第三,从器件的功耗来看,半导器件中有两种功耗,即静态功耗和动态功耗。静态功耗问题是指器件中所有晶体管的漏电流产生的功耗,而FPGA 的漏电流受供电电压、结温、晶体管尺寸和自身可编的冗余结构影响较大,因此,静态功耗问题严重制约了FPGA 器件技术的发展,而器件的动态功耗受充电电容、供电电压和时钟频率等影响,在工艺节点进步的情况下,FPGA 的密度和容量不断扩大且时钟频率不断提高,很难适应社会的发展,因此动态功耗是整个器件设计值得重视的问题总之,在深亚微米半导体工艺的影响下, 要对传统的设计和生产工艺进行改进和优化显得异常艰难,因此,在设计工作过程中,要采用科学合理的设计方法,根据社会发展的具体情况进行设计,努力地满足社会发展的需求,这也就要求在设计过程中进行优化和改进。优化和改进要以高密度、高性能为目标,深入了解集成电路的集成化程度,如此才能更好地促进FPGA 的技术发展。
  5 结语
  为了适应社会发展和市场发展的需要,FPGA 进行了多方面的改进和优化,如在密度、功能和性能就有了很大的变化。深亚微米工艺对FPGA 发展影响是非常巨大的,因此就要设计出最切实际的解决方案。根据其发展背景和形势可以预测:今后FPGA 的设计技术一定会取得较大的发展和进步。
  
  

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