适用于消费性市场的nano FPGA技术

2009年09月27日 13:09    李宽
关键词: FPGA , nano , 技术 , 消费性
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。

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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。

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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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