Рынок ПЛИС и их применение

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

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 

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.