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2024年12月26日星期四
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可编程逻辑器件的发展趋势分析

Analizing the Development Trend of PLDs

Actel公司中国区经理 夏明威


随着市场对大量精密但相对成本较低的终端产品的需求日益增加,设计工程师正利用速度更快、密度更高和相对更经济的IC产品,为FPGA产品在系统设计中开辟了全新的应用。

相对于简单的胶粘逻辑应用平台,现在系统设计人员会使用FPGA执行高度复杂的时序控制功能,实现高速数据信道设计,甚至先进的加密技术设计。

由于掩膜成本持续居高不下,具成本效益的用户可编程FPGA提供了极具吸引力的解决方案,从而替代传统的ASIC以实现复杂的设计功能。今天,典型的电路板设计也许只是将现成的处理器或DSP、一些存储器、几个ASSP和一个或多个大型但成本经济的FPGA整合在一起。

在这种情况下,Actel正着手转变其基础的可编程逻辑技术和市场重点。在技术方面,将从高速、独特的反熔丝技术转向以Flash为基础的技术;同时,市场重点从用于电信领域的高价位IC转向适用于所有领域的低价位IC。

三、四年前,可编程逻辑公司的发展迅猛,因为那时这些公司的电路售价为500或1,000美元,销售对象都是电信公司。如今,我们回到现实世界中,事实上IC并不是1,000美元的产品,IC一般的业内行情是低于10美元 ,通常都不会超过50美元,500美元更不可能。因此,Actel首要解决的问题是如何配合这个需要提供产品。

明显地,对PLD产品第一个要求是低于10美元的价位;第二个要求是功耗减少;第三则是安全性 ,使客户的设计无法被人复制;第四是原有软件错误问题的新变种 ,称为“固件错误”,这原本是由辐射的阿尔法 (alpha) 粒子造成,现在则由中子 (neutron) 造成。

因此,我们试图解决成本、功耗、固件错误和安全性问题。当0.13 m产品问世时,Actel已将这些问题解决。

Actel对以Flash为基础ProASIC系列产品的目标是,以最低的成本提供最多的系统门。速度和功耗固然重要,但很大程度上可以靠缩放比例来解决。


Actel的CPLD/FPGA产品发展蓝图

Actel已确定2004年中国增长幅度最大的行业是航空航天、通信和消费电子,这些都是Actel一向以来发展良好的领域。

在航空航天领域,预计地面的卫星通信和卫星将提供很好的机会,很大程度上是因为Actel在世界级水平的抗辐射和耐辐射技术规格上,实力雄厚。在过去几年所发射的每个太空卫星中,都装有相当数量的Actel器件。

虽然许多公司哀叹通信市场没有增长,Actel依然看到这个市场呈健康发展。例如,中国仍在进行大型的基础建设项目,确保拥有世界级的通信设施。在中国能构建具成本效益产品的能力推动下,Actel预计这将有助于通信领域的复苏,2004年的增长率可望接近20%。

然而,2004年发展潜力最大的还是消费电子领域,特别是DVD播放机、游戏机、机顶盒、数字相机和PDA。在亚洲,中国已成为世界最主要的制造基地,这可从Actel所赢得的客户设计项目中中国首次超过了韩国反映出来。


设计CPLD/FPGA产品时的考虑

采用可编程逻辑器件进行设计或选择PLD时应考虑的关键因素包括:功耗、安全性、固件错误和总系统成本。

其中,固件错误问题已在上文述过,而安全性问题对于全球和中国的工程师来说非常重要,文末的附录是我们提出能保护知识产权的十个步骤。

虽然FPGA常常被推广为ASIC的替代产品,但并不是所有FPGA技术都能提供ASIC的全部特性。在三种主要的FPGA技术中,只有Flash和反熔丝技术的功耗特性与ASIC相似。

在评估不同FPGA技术的功耗时,需要考察四项基本的功率成分:

1.静态功率

2.动态功率

3.上电(或涌入尖峰功率)

4.配置功率

总系统功率要求是所有四项功率成分的组合。

FPGA的功率特性是涌入尖峰、配置、静态和动态功率的组合。这些元素描述了FPGA的功率要求,但并没有反映挥发性SRAM
FPGA技术其它隐含的功率要求。使用SRAM FPGA时,设计人员应当认识到该技术对总系统功率的影响。

SRAM FPGA需要非挥发性存储器保存配置数据,这种存储器通常是一个或多个EEPROM。这些"引导PROM"也需要消耗功率,且增添总的功率预算。在某些系统中,可能利用微处理器来启动现有的非挥发性存储器系统,在这些应用中,可能不需要专用的引导PROM。虽然这可能不会增加系统的功耗,但由于必须增加存储器以保存SRAM配置数据,因而会增加成本。大多数系统要求部分设计能够在上电时运行,以便与总线通信并为系统的其余部分上电。FPGA通常用作系统控制器。然而,如果采用SRAM器件作为系统控制器,则需要额外的元件来提供启动功能,一般采用小型CPLD执行此项功能。如果使用Flash或反熔丝FPGA,则不需要这个元件。这个启动CPLD也会增加总系统功率要求。

选择FPGA技术之前,了解功率预算和总系统功率要求及成本是非常重要的。各种FPGA技术的功耗特性差异很大。Flash和反熔丝FPGA均可在上电时运行,且不会产生较大的上电电流峰值,上电电流峰值会大大缩短便携设备的电池寿命。在固定系统中,采用SRAM技术会显著增加功率要求,不仅需要支持更高的动态功率,还要支持更高的Icco要求,并避免系统电压降低。

因为需要采用较大的电源以配合远远超过正常工作条件的峰值要求,所以,功耗增加会直接增加成本。功耗增加还存在隐含的成本。较大的电源产生额外的热量,这会导致环境温度更高,系统的平均故障间隔时间(MTBF)缩短。换句话说,较大的电源会导致成本增加。选择合适的FPGA是一项复杂的决策,设计人员需要仔细地评估密度、非挥发性、可重编程性、性能、安全性和功耗,以针对特定应用做出最佳的抉择。


附录:保护知识产权的十个步骤

⑴ 采用最安全保密的可编程逻辑技术,以减少被攻击的机会。以SRAM为基础的挥发性FPGA技术不太安全,而非挥发性FPGA则是最安全的。
⑵ 如果你的设计采用专用的输入和输出,请确保器件免受简单的输入/输出扫描攻击。这种攻击通过循环运行大量可能的输入组合并监视输出,以确定内部逻辑功能,从而进行反向工程。

⑶ 采取措施以执行并跟踪IP及编程变化,减少设计在制造渠道中的曝光机会。尽可能限制第三方存取敏感的设计信息。

⑷ 在设计中增加数字"水印",这些独特的设计属性可证明您对设计的拥有权。

⑸ 如果需要外包生产,确保承包商不会在您不知道的情况下,进行超额生产,这是最常见的设计盗窃方式。

⑹ 选择值得信任的硅片销售商执行设计。在保密环境下编程的器件可保障您的知识产权。

⑺ 在企业的层面建立政策,制定保密目标。确保每个员工都认识到设计保密的重要性及公司对保护其知识产权的承诺。

⑻ 确保设计不会归单一名员工所有,而是属于公司的资产。

⑼ 如果员工在远程工作,确保所有设计工作均通过保密安全的中央存取服务器进行通信,该服务器也会作为所有相关EDA工具的储存库。

⑽ 最后的手段,通过法律途径对那些侵犯你知识产权的破坏者提出控诉。

         
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