Рынок ПЛИС и их применение

22.09.2023 |

Программируемые логические интегральные схемы и инструментальные средства разра­ботки проектов на их основе представляют собой платформу для создания с минимальными мате­риальными затратами и сокращенным временем проектирования реконфигурируемых высоко­производительных цифровых систем и устройств.

В. Вычужанин

Современные программируемые логические ин­тегральные схемы (ПЛИС) — высокоинтегрирован­ные гибкие универсальные устройства, обладающие мощной логикой, памятью и возможностью внутри­системного репрограммирования. Xilinx, Altera, Actel и другие фирмы активно создают ПЛИС, обеспечи­вающие выполнение различных функций, способ­ствующих дальнейшему расширению сферы их при­менения. Постоянно увеличивается доля ПЛИС при решении задач цифровой обработки сигналов (ЦОС) с высокоскоростными потоками данных в режиме ре­ального времени. В настоящее время производители ПЛИС успешно расширяют семейства микросхем, представляющих альтернативу стандартным заказ­ным БИС типа ASIC (ASIC — Application Specific Integral Circuit), имеющим высокую стоимость проектов, дли­тельные циклы проектирования и реализующим функ­ции, необходимые для решения конкретных задач пользователя. В результате число проектов на стан­дартных ASIC сокращается. Одна из тенденций в раз­витии ПЛИС — реализация совместно с матрицей программируемых логических ячеек выделенных ре­сурсов, способствующих созданию «систем на крис­талле» (SoC). Расширение сфер применения отража­ется на росте объемов продаж, а также на оценках технологического уровня и перспективах развития ПЛИС. Согласно оценкам международной аналити­ческой компании Gartner Dataquest ПЛИС — это быстроразвивающийся сектор рынка логических микро­схем с прогнозируемым объемом продаж в 2007 году 4.9 млрд. долларов.

По принципу формирования требуемой структуры целевого цифрового устройства ПЛИС относят к FPGA или CPLD. Архитектура FPGA (Field Programma­ble Gate Array — программируемые пользователем вентильные матрицы) является флагманской в смыс­ле достижения наибольшей емкости кристалла и ра­бочей частоты. FPGA не имеют ограничений по числу перезаписей, они отличаются высокими плотностью размещения элементов и быстродействием, низкими энергопотреблением и удельной стоимостью венти­ля. Кроме матриц блоков кристаллы FPGA содержат встроенную мощную статическую память, приемопе­редатчики, микропроцессоры, подключаемые поль­зователем для решения своих задач с помощью про­граммируемых соединений внутри кристалла. В нас­тоящее время кристаллы FPGA находят применение в аппаратуре специализированного и массового про­изводства. Стремление разработчиков удовлетво­рить потребности рынка приводит к тому, что FPGA претерпевают постоянные изменения. И одно из са­мых перспективных — переход к флэш-технологии, ко­торая за последние 10 лет превратилась из инноваци­онной идеи в «прорывную» технологию, оказывающую огромное влияние на каждую систему, в которой она находит применение. Флэш-технология призвана по­мочь ПЛИС FPGA завоевать новый ориентированный на оптимальные по стоимости изделия рынок. Комп­лексные программируемые логические устройства CPLD (Complex Programmable Logic Device) — энерго­независимые ИМС с некоторым ограничением допус­тимого числа перезаписи данных. Такие ПЛИС обла­дают высоким отношением количества логических элементов к числу регистров и отличаются гибким ре­сурсом трассировки. Главные достоинства CPLD: по­ниженное энергопотребление и упрощенные режимы сохранения информации. Архитектура ПЛИС CPLD по сравнению с FPGA более проста.

Фирма Xilinx [1] — ведущий мировой производи­тель микросхем программируемой логики. При изго­товлении ПЛИС фирма использует технологии стати­ческих ОЗУ (FPGA серий ХС 4000, XC 3000, XC 5200, Spartan, Virtex), флэш-памяти (CPLD XC 9500) и ЭППЗУ (CPLD серии CoolRunner, CoolRunner-II).

FPGA серий Virtex и Spartan содержат элементы логики, встроенную оперативную память, быстродей­ствующие модули общего назначения и элементы ре­ализации стандартов входов/выходов (I/O). Фирма Xilinx для изготовления специализированных FPGA серии Virtex, впервые в мире выполненных по технологии 0.09 мкм, использует модульную архитектуру ASMBL (Application Specific Modular Block Logic). Но­винкой 2006 года стало семейство Virtex-5, позволяю­щее пользователю выбрать оптимальную платформу для таких приложений, как высокоскоростная логика, быстродействующие интерфейсы, устройства циф­ровой обработки сигнала (ЦОС) и системы со встро­енными процессорами. По сравнению с ПЛИС Virtex-4 благодаря новой технологии ExpressFabric в ПЛИС Virtex-5 достигается увеличение производительности внутренней логики почти на 30%. Частота тактирова­ния ПЛИС 550 МГц, быстродействие последователь­ных интерфейсов LVDS 1.25 Гбит/с при 600 диффе­ренциальных парах I/O. Каждая логическая ячейка микросхемы имеет 6-входовую таблицу перекодиро­вок (LUT), что повышает возможности реализации сложной логики. Выпуск ПЛИС Virtex-5 начнется в кон­це этого года по проектным нормам 0.065 мкм.

Для недорогой крупносерийной продукции фирма производит FPGA серии Spartan. По архитектуре ПЛИС серий Virtex и Spartan весьма сходны, т.к. лежа­щие в их основе логические ячейки разбиты на секции. Обеспечивая массив логической емкости от 50 тыс. до 5 млн системных вентилей выполненная по техноло­гии 0.09 мкм платформа Spartan-3 отличается самой меньшей в мире стоимостью среди ПЛИС FPGA. Раз­витием FPGA Spartan-3 стало семейство Spartan-3L, включающее три типа ПЛИС логической емкостью от 17 280 до 62 208 макроячеек. Применение в блоках I/O ПЛИС семейства Spartan-3L технологии Select I/O обеспечивает поддержку широкого спектра стандарт­ных цифровых интерфейсов, включая дифференци­альные. Объем ресурсов ПЛИС семейства Spartan-3L позволяет применять их в составе разрабатываемых проектов с рядом различных IP-компонентов, включая микропроцессорные ядра PicoBlaze и MicroBlaze. По сравнению с аналогичными кристаллами базовой се­рии потребляемая мощность в статическом режиме для микросхем этого семейства снижена на 68%. В новом семействе Spartan-ЗЕ обеспечивается логи­ческая емкость до 1.6 млн системных вентилей и до 376 программируемых выводов. Spartan-ЗЕ, имея достаточно низкую цену, упрощает реализацию алго­ритмов DSP в ПЛИС. Исходя из анализа характеристик семейств Spartan-ЗЕ, можно сказать, что эти микро­схемы позволяют получить вычислитель с высокой производительностью в задачах цифровой фильтра­ции и спектрального анализа.

В технических решениях изделий класса SоC для реализации специализированного процессорного ядра в виде загружаемой в FPGA структуры фирма Xilinx предлагает семейство ядер (8- и З2-разрядные ядра Pi^Blaze и MicroBlaze) с архитектурой типа Soft Processor, оптимизированной для их реализации на основе ПЛИС различных семейств.

Xilinx является также производителем ПЛИС типа CPLD. Из последних разработок компании можно от­метить семейство CoolRunner-II с архитектурой XPLA3. Семейство CoolRunner-II имеет стопроцент­ное цифровое ядро, в отличие от других традицион­ных ПЛИС серий CPLD, в которых используются мето­ды усилителя считывания для реализации логических произведений. Семейство CoolRunner-II выполнено по CMOS-технологии, что обеспечивает возможность дальнейшего увеличения плотности и быстродей­ствия его элементов, снижения потребляемой мощ­ности и оптимизации стоимости.

Известно, что надежные и полные интеллектуаль­ные решения IP (Intellectual Property) предлагаются фирмами-разработчиками. Фирма Xilinx обладает сотнями таких IP-решений. Некоторые сферы их при­ложений: коммуникации и сети, декодер Рида-Соло­мона для цифрового TV, кабельные модемы, беспро­водные сети, ЦОС, вычислители математических функций, память и ее компоненты. Расширяется сфе­ра применения FPGA фирмы Xilinx в структурах супер­компьютеров. Особые надежды Xilinx связывает с внедрением ЦОС. Уже сейчас фирма контролирует 20% изделий в области ЦОС. Xilinx производит мик­росхемы в различных типах корпусов, включая про­мышленное, военное и радиационно-стойкое испол­нение. Фирма прелагает ПЛИС (CoolRunner, CoolRun- ner-II, Spartan-II) для диапазона рабочих температур IQ (-40…+125 °С), например, для использования в ав­томобильной электронике, системах спутниковой на­вигации, беспроводной связи, управления оборудо­ванием, обеспечения безопасности и др.

Особенности структуры кристаллов FPGA и CPLD фирмы Xilinx учитываются в специализированных САПР. Xilinx предлагает набор программного обеспе­чения, позволяющего реализовать проект на основе выпускаемых микросхем. Программное обеспечение включает схемотехнический и текстовый ввод, VHDL/Verilog-синтез, функциональное моделирова­ние, трассировщик кристаллов и многое другое. Фир­ма Xilinx создала специализированные САПР типа ISE (Integrated Synthesis Environment) Foundation и ISE Alliance версии 6.1i.

Среди известных фирм-производителей ПЛИС одно из ведущих мест принадлежит фирме Altera [2]. По объему продаж ПЛИС Altera уступает только фир­ме Xilinx. Исходя из принципов формирования требу­емой структуры целевого устройства, ПЛИС, выпуска­емые фирмой Altera, относят к CPLD и FPGA.

Фирма Altera первой предложила построение энергонезависимых CPLD. В последнем представлен­ном фирмой семействе CPLD MAX II используется LUT-based (Loob-Up Table) архитектура на основе макроячеек (LAB) и flash-технология. Это позволило в сравнении с другими семействами МАХ увеличить логическую емкость в 4, а быстродей­ствие — в 2 раза, уменьшить пот­ребляемую мощность в 10 раз и стоимость — в 2 раза. В ПЛИС этого семейства обеспечивается воз­можность внутрисхемного пере­программирования энергонезави­симой памяти во время работы устройства. Тактовая частота микросхем этой серии равна 304 МГц, число контактов I/O — от 80 (ЕРМ 240) до 272 (ЕРМ 2210). Благодаря сочетанию таких характеристик, как энергонезависи­мость сохранения конфигурации, большая логиче­ская емкость, низкое энергопотребление и низкая стоимость, программируемые логические микросхе­мы семейства MAX II используются для замены менее гибких и более дорогих заказных БИС типа ASIC и ASSP, а также дискретной логики.

FPGA фирмы Altera содержат встраиваемые про­цессорные ядра и ПЛИС, а также программу преобра­зования спроектированной структуры FPGA в специа­лизированную микросхему для массового производ­ства. Фирма Altera проектирует FPGA по архитектуре длинных линий, которая позволяет контролировать задержку распространения сигналов. Такой метод трассировки требует избыточности в ИМС, но повы­шает выход годных изделий при производстве. Начи­ная с семейства FPGA Stratix-II, фирма Altera исполь­зует технологию 0.090 мкм. В результате проведен­ных усовершенствований характеристики новых мик­росхем были существенно улучшены по сравнению с ПЛИС Stratix. Семейство Stratix-II продолжает линию ПЛИС, основанных на технологии SRAM. Такие мик­росхемы представляют собой двухмерную матричную структуру. В микросхемах поддерживается более 9 Мбит RAM-памяти на кристалле, максимальное чис­ло встроенных умножителей — 768 и до 96 блоков DSP. Логическая емкость ПЛИС доходит до 114 140 логи­ческих элементов. Как и все современные устройства большой емкости, являющиеся ядром SоC, ПЛИС се­мейства Stratix-II поддерживают значительное число стандартных протоколов обмена и имеют развитые средства управления тактовой частотой до 420 МГц.

Самую низкую на сегодняшний день стоимость эк­вивалентного вентиля имеет FPGA Cyclone-II. ПЛИС содержит только короткие линии общей трассировки, имеет один слой металлизации, изготавливается по технологии 0.13 мкм с медным проводником. Семей­ство Cyclone-II по сравнению со Stratix имеет более низкий коэффициент отношения объемов памяти и логики. В 2006 году фирма анонсировала подсемей­ство ПЛИС Cyclone-IIA, в которых реализована функ­ция Fast On (сокращена длительность сброса при включении питания). Ресурсы ПЛИС этого семейства приведены в табл. 1.

Таблица 1. Ресурсы FPGA подсемейства Cyclone-IIA

Параметр ЕР2С8А ЕР2С15А ЕР2С20А
Число логических элементов (LE) 8256 14 448 18 752
Число блоков RAM 36 52 52
Максимальный объем RAM, бит 165 888 239 616 239 616
Число встроенных умножителей 18×18 18 26 26
Число блоков синхронизации (PLL) 2 4 4
Максимальное число линий I/O 182 315 315
Число дифференциальных каналов I/O 77 132 132

 

Сравнивая микросхемы семейств Cyclone и Stratix, можно отметить, что первые имеют более низкий ко­эффициент отношения объемов памяти и логики, со­кращенный набор функций, кроме того, в них поддер­живается только однонаправленная передача.

Для реализации изделий класса SoC и специали­зированного процессорного ядра, загружаемого в структуру FPGA, фирма Altera выпускает семейство встраиваемых процессоров Nios-II с RISC-архитекту­рой, предназначенных для решения широкого круга задач. Для реализации процессоров Nios-II рекомен­дуется применение микросхем семейств Stratix, Stratix II, Stratix GX и Cyclone, что позволяет строить проекты SoC, успешно конкурирующие с аналогичны­ми, построенными на основе заказных БИС типа ASIC.

Altera сосредоточивает свои усилия на продвиже­нии в промышленность большого числа IP-решений. К ним относятся ЦОС, коммуникации и сети. ПЛИС фирмы Altera находят применение в цифровых радио­релейных станциях, радиолокационном оборудова­нии, медицинской технике, управляющих контролле­рах, счетчиках расхода жидкости и тепла, кассовых терминалах, торговых автоматах, бытовой технике. Фирма предлагает ПЛИС (Cyclon, ACEX 1К, МАХ7000АЕ) с диапазоном рабочих температур IQ для изделий автомобильной электроники.

Устройства на базе ПЛИС Altera могут использо­ваться при разработке цифровых плат, блоков и сис­тем, модернизации устройств, выполненных на базе устаревших цифровых микросхем, при разработке модулей сопряжения внешних периферийных уст­ройств с персональным компьютером (через шины PCL, ISA, USB), а также при разработке нестандарт­ных цифровых управляющих устройств и модулей, схем подключения внешних датчиков и систем сбора и обработки данных и др.

Средствами проектирования фирмы Altera явля­ются программные среды разработки MAX+PLUS II и Quartus II. В последней версии программной среды разработки Quartus II v.6.0 (ServicePack1) поддержи­ваются все выпускаемые на сегодняшний день се­мейства ПЛИС фирмы Altera.

Фирма Actel [3] с момента выпуска первых изде­лий в 1988 году является признанным лидером среди основных поставщиков изделий для военных и авиа­ционно-космических приложений. Actel поставляет инновационные программируемые решения, а также программируемые в условиях эксплуатации вентиль­ные матрицы типа FPGA. Фирма предлагает пере­программируемые по flash-технологии семейства ProASIC 3/E, ProASICPLUS, ProASIC, HiReProASIC- PLUS, однократно программируемые по Antifuse-тех­нологии семейства Axcelerator, eX, SX/SX-A, MX, Lego- cy Products, HiRel Antifuse и однократно программиру­емые радиационно-стойкие Radiation Tolerant ПЛИС.

В отличие от других фирм, для которых характерно объединение flash-памяти в одном кристалле тради­ционной матрицы на основе ячеек SRAM и загрузоч­ной flash-памяти, ПЛИС фирмы Actel имеют элементы flash-памяти, распределенные по всей площади кри­сталла и являющиеся одновременно ключами, задаю­щими конфигурацию. На сегодняшний день аналоги этой технологии других фирм отсутствуют. В резуль­тате появились экономически эффективные много­кратно программируемые микросхемы семейства ProASIC на основе flash-ключей. Сегодня микросхемы этого семейства лидируют по числу используемых FPGA, построенных по flash-технологии. Микросхемы ProASICPLUS представляют собой конфигурируемые устройства, выполненные по CMOS-технологии 0.22 мкм с 4 уровнями металлизации. Архитектура микросхем семейства ProASICPLUS состоит из ядра устройства, цепи маршрутизации, блоков встроенной памяти, блоков генераторов тактовых импульсов, входов/выходов и порта JTAG. Эти устройства имеют системную тактовую частоту до 100 МГц и позволяют напрямую подключаться к устройствам, имеющим входные и выходные логические сигналы с уровнями 3.3 и 2.5 В. Микросхемы данного семейства содержат два блока фазовой автоподстройки частоты PLL, ли­нии задержки и умножитель/делитель синхрочастоты. Входные частоты для генератора с PLL — от 1.5 до 240 МГц, выходные — от 24 до 240 МГц. Число систем­ных вентилей в микросхемах этого семейства — от 75 тыс. до 1 млн, объем встроенной SRAM-памяти — от 27 до 198 кбит, число пользовательских входов/вы- ходов — от 66 до 712. Для защиты интеллектуальной собственности в ProASICPLUS используются более высокие уровни защиты, чем в обычных FPGA, выпол­ненных на основе SRAM-технологии или заказных БИС типа ASIC. ПЛИС ProASICPLUS при сопоставле­нии с FPGA Xilinx и Altera с одинаковым числом вен­тилей имеют больше выводов. Эти ПЛИС отличаются высокой надежностью (применяются в военной, ме­дицинской, авиационной электронике), защищен­ностью от несанкционированного считывания (осо­бенно актуально для массовых пользовательских устройств), энергонезависимостью (бортовая элект­роника, высокоскоростные задачи), низким энерго­потреблением и нежесткими требованиями к напря­жению питания (портативные, бортовые, перенос­ные устройства), наличием доступных и удобных стартовых наборов (Starter Kit).

Дальнейшим развитием FPGA на основе flash-тех­нологии стали поставки в 2005 г. двух семейств пе­репрограммируемых ПЛИС третьего поколения FPGA ProASIC3 и ProASIC3/E. На сегодняшний день микро­схемы этих семейств — единственные FPGA, в которых применяется пользовательская энергонезависимая flash-память емкостью 1 кбит. Выполнены микросхе­мы семейства ProASIC3/E по LVCMOS-технологии с разрешением 0.13 мкм и семью уровнями металлиза­ции. Сочетание мелкоячеистости сети, улучшенных гибких ресурсов трассировки и большого числа flash- ключей позволяет достичь (за счет равномерной за­грузки) почти 100-процентного коэффициента ис­пользования. Ресурсы ПЛИС ProASIC3/E приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Ресурсы FPGA семейств ProASIC 3/E 

Название устройства Число вентильных элементов, тысяч Число логических элементов Объем блочной RAM, кбит Flash (ROM), кбит Число блоков по 4608 бит Число PLL Макс, число контактов ввода/ вывода (I/O)
A3P030 30 768 1 81
АЗР060 60 1536 18 1 4 1 96
АЗР125 125 3072 36 1 8 1 133
АЗР250 250 6144 36 1 8 1 157
АЗР400 400 9216 54 1 12 1 194
АЗР600 600 13 824 108 1 24 1 227
АЗР1000 1000 24 576 144 1 32 1 288
АЗРЕ600 600 13 824 108 1 24 6 270
АЗРЕ1500 1500 38 400 270 1 60 6 439
A3PE3000 3 75 268 504 1 112 6 616

 

Фирма Actel предлагает собственные решения на системном уровне на базе IP-библиотек под названи­ем DirectCores, которые предназначены для примене­ния в ПЛИС фирмы Actel и оптимизированы для них. Фирма также предлагает блоки IP-библиотек произ­водства других фирм под названием Companion­Cores, которые прошли испытания и проверку в уст­ройствах фирмы Actel. Партнеры фирмы Actel по CompanionCore разработали около 70 библиотечных вычислительных модулей. Все модули DirectCores и CompanionCores выпускаются в комплекте в виде предварительно реализованных и готовых к синтезу узлов. Они рекомендуются для применения в самых широких областях, включая телекоммуникации, про­изводство потребительских товаров, средства муль­тимедиа, сетевое взаимодействие, управление про­изводственным процессом, кодирование, автомо­бильную, военную и аэрокосмическую промышлен­ность и вычислительную технику. Новые разработки позволяют использовать внутрисистемное програм­мирование (ISP) и ПЛИС семейств ProASIC3/E, осно­ванных на flash-технологии.

Фирма Actel — лидер на рынке радиационно-стой­ких ПЛИС — выпускает до 80% мирового объема соответствующих изделий для бортового оборудования космических аппаратов. Фирма известна также как поставщик antifuse-схем (с нормально разомкнутыми перемычками). По сравнению с FPGA других типов anti­fuse-устройства имеют меньшее сопротивление пере­мычек во включенном состоянии. В результате удается снизить энергопотребление, увеличить скорость пере­дачи сигналов внутри ИМС и повысить устойчивость FPGA к действию радиации. Все ПЛИС antifuse-FPGA энергонезависимы. В отличие от ПЛИС, основанных на статической памяти, схемы с нормально разомкнутыми перемычками не нуждаются в дополнительной памяти для хранения конфигурации и готовы к работе сразу после подачи питания. По своей природе ПЛИС anti- fuse-FPGA делают практически невозможным воспро­изведение или «клонирование» созданных на их основе устройств. Это позволяет существенно снизить стои­мость устройств, выпускаемых массовыми тиражами для конечных пользователей.

Радиационно-стойкие ПЛИС фирмы Actel обеспечи­вают возможность прототипирования на основе иден­тичных и недорогих коммерческих ПЛИС. Такие ПЛИС включают семейства RH, RTSX-S и RTAX-S. Радиацион­но-стойкие микросхемы FPGA семейства RTAX-S, соз­данные на базе ПЛИС FPGA Axcelerator, позволяют по­высить уровень интеграции цифровых систем управле­ния для бортовых устройств космических аппаратов, а также реализовать SoC на основе ПЛИС.

Наряду с поставками самых дешевых в отрасли ПЛИС фирма Actel предлагает отладочную среду проектирования (IDE) Libero 6.1, отличающуюся оптимиза­цией ресурсов и простотой эксплуатации, что в соче­тании со средствами проектирования, разработанны­ми сторонними фирмами, обеспечивает возможность работы этих средств без дополнительной настройки. Программный продукт оптимизирован для использо­вания особенностей архитектуры устройств ProA- SIC3/E, включая встроенную в кристалл flash-память. Комплект разработчика Libero обеспечивает поддерж­ку ввода проектных данных в смешанном режиме, бла­годаря чему разработчики получают возможность вы­бора высокоуровневых языков типа VHDL или Verilog.

Хотя изделия фирмы Actel предназначены, в пер­вую очередь, для военных и космических приложений, тем не менее, в последнее время расширяется сфера применения этих ПЛИС в промышленном, телекомму­никационном, медицинском, игровом и другом обору­довании, а также в системах защиты данных. При этом ПЛИС этой фирмы, объединяя преимущества про­граммируемой логики и базовых матричных кристал­лов, являются альтернативой заказным БИС типа ASIC.

Xilinx, Altera, Actel и другие фирмы, внедряя передо­вые технологии, активно создают ПЛИС, обладающие повышенным быстродействием и отличающиеся чис­лом вентильных элементов, низкими энергопотребле­нием и ценой, имеющие новые функции, способствую­щие дальнейшему расширению сферы их применения. Успешное освоение новых технологий позволило зна­чительно повысить отношение эффективность/стои- мость этих микросхем. Решаются задачи интеграции процессорного ядра, заказных микросхем и програм­мируемой логики. Растет число используемых реше­ний IP, адаптированных к возможностям конкретных ПЛИС разных производителей. Потребитель, руковод­ствуясь такими критериями, как максимальное число логических элементов, дополнительные функции, быстродействие, энергопотребление, цена и т.д., легко может выбрать необходимое семейство ПЛИС.