FPGA技术正处于高速发展时期,新型芯片的规模越来越大,成本也越来越低,低端的FPGA已逐步取代了传统的数字元件,高端的FPGA不断在争夺ASIC的市场份额。本节从FPGA软、硬件来展望未来的FPGA设计技术,给读者留一个FPGA技术的宏观轮廓。
1未来可编程器件的发展趋势
先进的ASIC生产工艺已经被用于FPGA的生产,越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的FPGA芯片中,基于FPGA的开发成为一项系统级设计工程。随着半导体制造工艺的不同提高,FPGA的集成度将不断提高,制造成本将不断降低,其作为替代ASIC来实现电子系统的前景将日趋光明。
(1)大容量、低电压、低功耗FPGA
大容量FPGA是市场发展的焦点。FPGA产业中的两大霸主:Altera和Xilinx在超大容量FPGA上展开了激烈的竞争。2007年Altera推出了65nm工艺的StratixIII系列芯片,其容量为67200个LE(LogicElement,逻辑单元),Xilinx推出的65nm工艺的VitexVI系列芯片,其容量为33792个Slices(一个Slices约等于2个LE)。采用深亚微米(DSM)的半导体工艺后,器件在性能提高的同时,价格也在逐步降低。由于便携式应用产品的发展,对FPGA的低电压、低功耗的要日益迫切。因此,无论那个厂家、哪种类型的产品,都在瞄准这个方向而努力。
(2)系统级高密度FPGA
随着生产规模的提高,产品应用成本的下降,FPGA的应用已经不是过去的仅仅适用于系统接口部件的现场集成,而是将它灵活地应用于系统级(包括其核心功能芯片)设计之中。在这样的背景下,国际主要FPGA厂家在系统级高密度FPGA的技术发展上,主要强调了两个方面:FPGA的IP(Intellec2tualProperty,知识产权)硬核和IP软核。当前具有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面:一方面是FPGA厂商将IP硬核(指完成版图设计的功能单元模块)嵌入到FPGA器件中,另一方面是大力扩充优化的IP软核(指利用HDL语言设计并经过综合验证的功能单元模块),用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的IP核资源,有效地完成复杂的片上系统设计。
(3)FPGA和ASIC出现相互融合
虽然标准逻辑ASIC芯片尺寸小、功能强、功耗低,但其设计复杂,并且有批量要求。FPGA价格较低廉,能在现场进行编程,但它们体积大、能力有限,而且功耗比ASIC大。正因如此,FPGA和ASIC正在互相融合,取长补短。随着一些ASIC制造商提供具有可编程逻辑的标准单元,FPGA制造商重新对标准逻辑单元发生兴趣。
(4)动态可重构FPGA
动态可重构FPGA是指在一定条件下芯片不仅具有在系统重新配置电路功能的特性,而且还具有在系统动态重构电路逻辑的能力。对于数字时序逻辑系统,动态可重构FPGA的意义在于其时序逻辑的发生不是通过调用芯片内不同区域、不同逻辑资源来组合而成,而是通过对FPGA进行局部的或全局的芯片逻辑的动态重构而实现的。动态可重构FPGA在器件编程结构上具有专门的特征,其内部逻辑块和内部连线的改变,可以通过读取不同的SRAM中的数据来直接实现这样的逻辑重构,时间往往在纳秒级,有助于实现FPGA系统逻辑功能的动态重构。
2未来EDA设计方法的发展趋势
电子产业瞬息万变,随着新一代FPGA芯片工艺和设计方法的进步及新的应用领域和市场需求的变化,EDA技术也有突飞猛进的发展,总的趋势可以概括为:跨越器件组,甚至公司界限,越来越人性化的设计,越来越高的优化水平,越来越快的仿真速度,越来越高的仿真精度以及完备的分析验证手段。
(1)一体化工具和IP是发展方向
一体化的工具使用户受益于一个统一的用户界面,避免了在不同的工具间进行数据转换等繁琐的操作。目前,各大EDA工具供应商分别推出了集成众多工具在内的一体化设计工具,同时也在分别推出各自的标准数据库,以进一步简化设计流程。未来先进的IC设计平台,将整合各个公司的许多工具,覆盖了从设计编译、布局编译、物理编译、DFT编译以及硅片制造的全部流程,同时还在内部集成了向第三方开放的数据库,将不同设计阶段中的数据、时序、计算以及种种约束条件协调起来,将集成新的模拟和混合信号设计工具,加强利用EDA工具进行模拟电路设计的能力。
IP的合理应用是加速产品设计流程的一个有效途径。按照美国EDA联盟(TheEDAConsortium)的统计数据表明,IP产品的销售额是全球EDA工业中增加最快的一个领域。IP应用是IC设计业中绝对的发展趋势。
(2)SystemVerilog将成为下一代的描述语言
描述语言一直是EDA业中重要的一环,VHDL和Verilog目前是中国的主流设计语言。然而,随着IC复杂度的不断提高,高级语言将成为FPGA开发的利器,从更高层次入手对系统进行描述是描述语言未来的发展方向。“SystemVerilog将最终取代VHDL。”这是Synopsys公司对描述语言发展方向上的预测,在进一步解释这一预测时,还指出多年来FPGA设计中更关注的是仿真,而目前验证整个设计周期中已经占据了60%甚至更多的时间,而SystemVerilog可以有效地支持上述两者的需求,同时SystemVerilog是与Verilog完全兼容的。系统级设计方法除了需要使用高级HDL语言外,更重要的是要得到系统级仿真、综合工具的强力支持。目前VerilogHDL语言发展迅猛,并逐步完善。
(3)EsL将撑起EDA产业大旗
ESL指的是电子级系统设计。软件挑战是ESL身后的关键推动力。多处理器系统级芯片必须并行编程,EsL的目标是单一高级别模型的协同软硬件设计。未来几年全球ESL工具营收将显著增长,将与RTL工具持平。三种主要的EsL方法学分别围绕算法、处理器与存储器、控制逻辑。它们均包含行为级与架构级设计,分别面向不同的工具及供应商。
(4)Linux提速进入EDA领域
随着EDA技术在全球范围内的飞速发展,业界都在翘首以待基于Linux环境的EDA技术成为电路设计领域的主流。首先,由于Linux费用很低,源代码开放,这使得EDA软件的前期开发费用很低,而且运行维护的成本也很低,同时大大方便了工程师的设计工作。而Linux工作站的费用也要比Unix工作站便宜很多。此外,Linux的成本大约是Unix以及Windows的1/15~1/10,但是效能并不比后者差,甚至运行速度要更快一些。现在业界普遍的看法就是预计在未来的5年内,Linux将成为EDA的主角。可以预见,Linux的普及只是时间问题。
(5)模块化、增量式设计成为主流
模块化设计适用于团队开发设计内部关系易于划分、模块间连接较少的项目。模块化设计先进行整体设计,各模块使用黑盒子代替,只指明模块间的连接(使用“伪逻辑”(pseudologic)连接)和整体设计的外部端口,并约束各模块在FPGA芯片内部的区域位置和时序、外部端口引脚。之后并行的依据约束完成各自的模块设计,最后提交到一起进行整体的组合(assemble)。增量式设计是一种能在小范围改动情况下节约综合、实现时间并集成以往设计成果的设计手段。包括增量综合和增量实现两个层次的含义。
目前,Xilinx公司和Altera公司的模块化、增量式设计已经逐步成熟,在实际中开始得到应用,可以通过相关集成开发环境的Help菜单得到更详细的说明。