适用于消费性市场的nano FPGA技术
发布时间：2009-9-27 13:48
发布者：李宽
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作者：爱特公司亚太区高级工程师及处理器专家温仲尧 日期：2009-9 摘要 尽管相较于传统的ASIC和ASSP方案，FPGA具备可编程与快速上市的优点，但是传统SRAM-based FPGA技术却由于占位空间大与功耗高等缺点，使其无法在大批量的消费性市场，甚至便携产品中，得到广泛的采用。面对此一问题，flash-based FPGA技术提供了最佳的解决方式。本文将从功耗、大小、供货时间、价格等各层面，介绍Actel的nano FPGA技术所具备的优势。此外，亦会说明，以此技术为基础的FPGA所具备的独特Flash*Freeze技术，以及其他包括单芯片、通电即用、安全性等各项特性。这些优势都将使FPGA也成为大量消费性市场的理想选择，例如LCD控制、储存、以及人机界面等。 前言 传统上，大批量消费性电子产品都是采用特定应用标准产品(ASSP)或特定应用集成电路(ASIC)来进行设计。这两种设计技术的优点包括拥有固定的功能性，并可针对特定应用进行优化设计。然而，在竞争激烈、变化快速的市场中，此两种技术却有非常难以克服的缺点。 首先，由于电子产品的生命周期越来越短，昂贵的NRE费用不一定能够回收。同时，许多系统需要在日后进行升级或改版，但传统定制的集成电路不能因应这样的需求。因此，制造商必须重新思索采用不同的设计方式，不只是着眼于产品设计，而是要符合整个产品生命周期的需求。 要在现今高度竞争的大批量市场中胜出，制造商必须能够快速响应市场需求。为了缩短产品上市时程，设计团队需要更有效率的设计方式，以满足快速设计、建立原型、缩短组件供货时间、以及未来可轻松进行升级的多重目标。 在这样的需求下，可编程逻辑数组(FPGA)便成为一个可行的选项。FPGA的历史可回溯至80年代，然而一直到近来受惠于设计与工艺技术的进步，FPGA才开始有应用到大批量消费性市场的可能。 一般来说，FPGA具备可程序与快速上市的优点，设计人员仅需要对其内建的逻辑数组进行编程，就可得到所需的功能特性，而不需要像开发一颗ASIC 一样，需要长时间的电路设计。而且当内建FPGA的产品已经上市后，仍拥有修改更新功能的弹性，不像ASIC一样，因为功能已经固定，不能再进行变更。但是，FPGA还是一些缺点。尤其是，目前市场上大部分的FPGA都是采用SRAM-based技术，这使其有占位空间大与功耗高等缺点，因此传统FPGA 无法在大批量的消费性市场，甚至便携式产品中，得到广泛的采用。但是Actel以闪存为基础的flash-based技术，却完全不同！ Actel的nano FPGA技术 Actel致力于开发高功能性、低功耗的flash-based FPGA技术，并在以下5个领域都获得了显著的提升：功耗、尺寸、供货周期、温度、与价格。 Actel 的nano FPGA组件包括IGLOO nano和ProASIC3 nano两个产品线，拥有与ASIC相近的功耗水平，它的开启电流突波非常低，而且在移转(transition)过程中也没有高电流产生，这都是传统 SRAM-based FPGA组件常有的现象。 以图1来看，具1万个系统闸的IGLOO nano FPGA，其功耗仅有2μW，较其他FPGA产品功耗低15～25倍。这些组件支持1.2V～1.5V核心电压与I/O操作，以及超低电压的Flash*Frezze模式。 
图1：Actel的IGLOO nano FPGA功耗较其他产品低15~25倍 此外，IGLOO nano FPGA的大小只有3x3mm，是目前市场上封装尺寸最小的可程序逻辑组件，再配合其低功耗特性，非常适合用在对功耗敏感、且空间位置有限的便携式装置中。 而在供货时间方面，Actel可针对所有密度的组件提供0周的供货时间，这对大量应用来说是非常重要的。至于操作温度，Actel延伸了IGLOO nano FPGA的操作温度至-20℃～+70℃，因为现在许多便携式应用都必须曾在摄氏零下的环境下操作。此外，nanoFPGA亦拥有价格优势，50多款组件的价格都低于1美元，而ProASIC3 nano的价格低至0.49美元。 Flash-based FPGA技术优势 利用先进flash-based、130nm LVCMOS工艺技术，Actel的flash-based FPGA拥有非挥发性、可重复编程(reprogrammability)等许多优点。 FlashxFreeze技术 FlashxFreeze 是IGLOO FPGA所提供的独特技术，它可以让组件进入和退出超低电压的FlashxFreeze模式。无需外部组件，就可以关闭I/O或频率，并同时还能保留设计信息、SRAM、以及缓存器内容。与SRAM-based FPGA不同，IGLOO组件内部可保留立即恢复运作(1μs内)所需的所有信息。其I/O单元可以个别设定为保留先前的状态，或是其他模式。 FlashxFreeze技术可与系统内的可编程性结合，让设计人员能够在制造的最后阶段或甚至出货后，快速且轻松地进行升级。 使用者设定非挥发性FlashROM IGLOO组件内建有1kb的非挥发性FlashROM。此核心可被单独编程(擦除或写入)，而片上 AES解密功能可被用来保护数据在公共网络上的安全性。FlashROM可透过JTAG接口进行编程，而其内容能以相同的接口或利用直接FPGA核心寻址来读取。FlashROM仅可透过JTAG接口来编程，不可从内部的逻辑数组。 单芯片 Flashed-based FPGA可在芯片上的闪存单元中储存配置数据。一旦编程之后，此配置数据便成为此FPGA架构的一部分，与一般的SRAM-based FPGA不同，它在系统开启时，不需要再加载外部配置数据。所以，采用Flashed-based FPGA进行设计，就不需要额外的系统配置组件，例如以EEPROM或微控制器来加载装置配置数据，因此可以得到更简单的材料清单(BOM)、较小的 PCB占位面积、更高的安全性、以及更佳的系统可靠性等优点。 通电即用(live at power-up；LAPU) Actel的Flashed-based FPGA支持LAPU(live at power-up，通电即用)的第零级(Level 0)标准。此特性能够在唤醒处理器、设定与配置内存区块、产生频率、与总线活动管理前，便进行系统组件初始化并执行重要任务。 LAPU 特性通常能简化整体系统设计，并同时降低系统成本。此外，系统电源的突然故障也不会毁损组件的闪存配置，而且与SRAM-based FPGA不同，当电源恢复时，此组件不需重载。因此，设计人员能透过免除配置PROM、监控电压、与产生频率的需求，来简化其PCB设计。 安全性 由于Flashed-based FPGA是非挥发性的，不需要采用启动PROM，也就降低了重要数据被复制的风险。IGLOO采用了FlashLock技术，无需任何外部组件，就可以提供独特的可重复编程性(reprogrammability)和设计安全性，这是只有具备非挥发性闪存的FPGA所具备的优势。 Actel的组件利用128位的flash-based FlashLock以及一单独的AES密钥来保护重要IP与配置数据。此外，FPGA配置和FlashROM数据能够在加载前，利用业界领先的AES- 128(FOPS192)位模块密码标准，先行加密。Actel FPGA有一内建的AES解密引擎和一个flash-based密钥，是目前市面上能提供最完整安全方案的可程序逻辑组件。相较于ASIC，由于可利用逆向工程技术移除金属层而泄漏出设计机密，Actel的flash-based FPGA拥有更高的安全性。 降低整体拥有成本 由于可减少使用的组件数量，以及提供远程可服务特性，采用flash-based FPGA可取得更低的整体拥有成本。 与SRAM-based FPGA不同，Actel的flash-based FPGA允许所有功能在通电时立即启用，不用额外的启动PROM。内建的安全机制可保护所有的编程信息，并能够以远程方式，安全地为FPGA逻辑进行更新。设计人员能够执行安全、远程、系统内重复编程，来支持日后的设计以及现场更新。Actel的nano FPGA是一具备成本效益的替代方案，因此即使是大批量产品，也不需要移转至改采ASIC设计。 应用实例 由于flash-based FPGA的技术优势，已经使其成为大批量消费性市场的理想选择，包括LCD控制应用、储存应用、以及人机界面等。特别是在各项的便携式产品中，LCD设计是其中非常重要的一环，而Actel的超低电压flash-based FPGA非常适合用来建置多种客制化的LCD控制器，在此以LCD背光控制为例来说明。 LCD背光是便携式应用中耗电最多的一部分，因此降低背光电源是延长电池寿命的重要关键。随着LED背光日益普遍，IGLOO组件能够扮演一个重要的控制角色。 LED驱动芯片中的电源管理(PWM)输入讯号是用来执行亮度控制。设计人员可以在IGLOO组件中建置一个PWM模块，如图2所示。 除了PWM亮度控制，IGLOO组件的FlashxFreeze功能也可用来显示LCD数据以及关闭LED背光。FlashxFreeze模式可让 IGLOO组件进入操作电压仅有2μW的低电压状态。当FlashxFreeze模式启动时，所有的I/O都成为tristated，使此组件维持相同的状态。一旦关闭FlashxFreeze模式，IGLOO组件会在1μs内，迅速跳回操作状态。 
图2：IGLOO组件在LCD显示器背光控制中的应用 结论 电子产品正朝便携式与更高整合度的趋势发展，此外，设计人员也面临着更短上市时程的严峻设计挑战。传统的ASIC和ASSP的设计时间很长，而且不只初期设计的成本较高，一旦系统开始运作，日后的升级与更新也需要更多的成本与心力。 FPGA能针对这些问题，提供设计人员一个快速、弹性、与具成本效益的系统开发平台。与传统的客制化IC方式相较，采用FPGA，设计人员能以更短的时间、更低的成本进行设计。Actel的nano FPGA技术在功耗、尺寸、供货时间、温度、价格等各方面所具备的优势，已使flash-based FPGA成为大批量、小尺寸、便携式电子产品的理想方案，并可实现大批量电子装置的有效设计、制造、与维护。Actel的nano FPGA确实能将FPGA带到前所未有的应用领域中。 |
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