選擇賽靈思(Xilinx)FPGA芯片的N個理由 - 全文

　　電子發燒友網訊：賽靈思 FPGA 7系列芯片正以燎原之勢席卷整個行業。在本文，電子發燒友網小編將帶領大家一起走近Xilinx的FPGA 7系列芯片，從全新FPGA 7系列芯片的介紹、芯片優點、芯片典型應用以及芯片未來展望等方面，深入闡述工程師選擇Xilinx FPGA芯片的理由。

　　理由1 業界性價比之王

　　賽靈思的最新7系列FPGA芯片包括3個子系列，Artix-7、 Kintex-7和Virtex-7。在介紹芯片之前，先看看三個子系列芯片的介紹表，如下表1所示：

　　表1 全新Xilinx FPGA 7系列子系列介紹表

　　(1) Artix-7 FPGA系列——業界最低功耗和最低成本

　　通過表1我們不難得出以下結論：與上一代 FPGA相比，其功耗降低了50%，成本削減了35%，性能提高30%，占用面積縮減了50%，賽靈思FPGA芯片在升級中，功耗和性能平衡得非常好。

　　(2)Kintex-7 FPGA 系列——業界最佳性價比

　　堪稱“業界性價比之王”的Kintex-7 FPGA 系列，能以不到一半的價格獲得Virtex-6系列 FPGA的性能，性價比翻一番，而且功耗減少一半，為高端功能提供了平衡優化的配置。

　　(3)Virtex-7 FPGA 系列——業界最高系統性能和容量
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　　與Virtex-6 FPGA相比，Virtex-7系列的系統性能翻了一番、功耗降低一半、速度提升30%、其重點在于容量擴大2.5倍、多達200萬個邏輯單元、串行寬帶達1.9Tbps、線速高達28Gbps、其EasyPath降低成本解決方案，從而將這一業界最成功的 FPGA 架構推到了全新的高度。

　　理由2 全新Xilinx 7 系列FPGA芯片優勢全析

　　(1)總體優勢分析

　　全新Xilinx 7 系列FPGA芯片不僅在幫助客戶降低功耗、降低成本方面取得新突破，而且還具備高容量、高性能以及可移植性強等優點。下圖可以看出降低功耗對FPGA的重要性。下表也表明賽靈思7系列FPGA具有高度的可擴展性，可實現不同的系統性能水平。

　　表賽靈思7系列FPGA具有高度的可擴展性，可實現不同的系統性能水平

　　三個子系列均采用臺積電和三星HKMG(高介金屬閘)高性能低功耗工藝開發，在性能、工耗、成本方面比上代產品均有大幅改進。全新Xilinx 7 系列FPGA芯片，在功耗、性能和設計可移植性方面都取得了重大進展。

　　新系列產品采用針對低功耗高性能精心優化的28 nm 工藝技術，能實現出色的生產率，解決 ASIC 和 ASSP 等其他方法開發成本過高、過于復雜且不夠靈活的問題，使 FPGA平臺能夠滿足日益多樣化的設計群體的需求。28nm 工藝和設計創新突破性地將功耗降低了50%。統一架構保存了 IP 投資，加快了設計移植。這些 FPGA 系列是 Xilinx 新一代、領域優化和特定市場專用目標設計平臺的基礎。從以下圖表我們可以看出通過降低功耗的方法可提高容量與功能：該表說明功耗降低一半可以使得可用性能和容量提升;優化的硬模塊可將功耗降低25% 以上。

　　此外，全新Xilinx 7 系列FPGA芯片還有一個很大的特色，那就是三個子系列的架構完全統一。這個統一的架構其實基于Virtex-6，從這三個子系列的任意一款都可以很輕易地轉移到另一款的開發，高中低端之間的轉換可以隨時進行，設計方案可根據需要收放。如下圖所示，主要現在三個方面：均為降低功耗和提高性價比而優化;通用的邏輯單元、BRAM、接口;輕松實現設計擴展。

　　比如用同一個IP，既可以開發高端售貨機又可以轉而開發低端手持設備。這個特性極大地幫助廠商提高生產效率，他們不需要對每代產品進行高昂的IP和方案重設計，而能快速地擴展產品，滿足相鄰市場的需求。當然，對于希望利用最新7系列 FPGA 進一步實現節能或提高系統性能和容量的客戶來說，他們可以先用 Virtex-6 和 Spartan-6 FPGA 進行設計，然后在時機成熟時將設計方案進行移植。

　　(2)Artex-7 系列

　　a. 以低功耗、低成本為特色，它比Spartan-6速度快30%，功耗低一半，價格降低35%;

　　b. 利用基于Virtex系列架構的FPGA能夠滿足成本敏感型、大批量市場的性能要求;

　　c.利用內置式 Gen1x4 PCI Express? 技術實現3.75Gpbs 串行連接功能;

　　d.絲焊芯片級BGA封裝，實現了小型化和低成本;

　　能滿足電池供電的便攜式超聲波設備的低功耗高性能需求

　　能滿足商用數碼相機鏡頭控制的小型、低功耗要求

　　能滿足軍用航空電子和通信設備嚴格的 SWAP-C(大小、重量、功耗和成本)要求

　　e.尺寸、重量和功耗特性都特別符合手持式應用的要求，如便攜式超聲波、數字照相機控制和軟件定義無線電。

　　(3)Kintex-7 系列

　　a. 標榜業界最高系統性能和容量，密度達到200萬個邏輯單元，比所有以前和現有的FPGA高出2.5倍

　　b. 與Virtex-6相比，Virtex-7的系統性能番了一倍，功耗降低一半，速度提升了30%，是7系列中最高端的子系列;

　　c. 可提供諸如大批量 10G 光學有線通信設備等各種應用所需的高性能 10.3Gbps 或低成本優化的 6.5Gbps 串行連接性、存儲器和邏輯性能

　　d.實現了信號處理性能、功耗和成本的最佳平衡，能支持長期演進 (LTE) 無線網絡部署，滿足新一代高清 3D 平板顯示器嚴格的功耗和成本要求

　　e.提供新一代廣播視頻點播系統所需的性能和帶寬

　　f.10.3125Gbps 串行連接功能和內置式 Gen2x8 PCI Express 技術

　　g.豐富的塊存儲器和 DSP 資源，是無線 LTE 基礎設施設備、LED 背光和 3D 數字視頻顯示器、醫學成像與航空電子成像系統的理想之選。

　　(4)Virtex-7 系列

　　a. 樹立了全新的業界性能基準;

　　b. 與Virtex-6 器件相比，系統性能提高一倍，功耗降低一半，信號處理能力提升 1.8 倍，I/O 帶寬提升 1.6 倍，存儲器帶寬提升 2 倍;

　　c. 是業界密度最高的 FPGA，多達2百萬個邏輯單元實現了突破性容量;

　　d. 采用 EasyPath-7 器件，無需任何設計轉換就能確保將成本降低 35%;

　　e. 支持 400G 橋接和交換結構有線通信系統，是全球有線基礎設施的核心; f.

　　g. 支持高級雷達系統和高性能計算機系統，能夠滿足單芯片 TeraM ACC 信號處理能力的要求以及新一代測試測量設備的邏輯密度、性能和 I/O 帶寬要求;

　　h.實現新一代 100GE 線卡、300G 橋、兆兆位級交換機結構、100G OTN 波長轉換器、雷達和 ASIC 仿真。

　　總的來說，取得了行業突破性進展的 7 系列 FPGA 系列芯片具備如下表所示優勢：

　　xilinx的FPGA系列芯片性能對比

　　現場可編程門陣列 (FPGA) 是由通過可編程互連連接的可配置邏輯塊 (CLB) 矩陣構成的可編程半導體器件。相對于專為特定設計定制構建的專用集成電路 (ASIC) 而言，FPGA 能通過編程來滿足應用和功能要求。下表是xilinx的FPGA系列芯片性能對比表。

　　表 xilinx的FPGA系列芯片性能對比表

　　(2)行業優勢

　　航空航天和軍用產品

　　7系列 FPGA 利用更高的集成度和信號處理能力極大地降低了功耗，從而為雷達、軍事通信和高級成像系統提供了 SWAP-C 優勢。

　　a.航空電子

　　Kintex-7 FPGA 的高性價比增強了飛機視頻數據總線系統的 SWAP-C 優勢。

　　b.雷達

　　Virtex-7 FPGA 削減了面向便攜式雷達系統的 SWAP-C。

　　廣播

　　Kintex-7 FPGA 為主流設計帶來了 10Gbps 的串行連接功能，實現了新一代數字視頻分配系統。

　　a.Video-over-IP 網關

　　Kintex-7 FPGA 為遠距離 WAN 傳送實現了串行數字接口(SDI)協議與 IP 技術的經濟型、低功耗橋接，從而能夠利用標準 IP 網絡連接本地錄播室/現場活動、廣播設施和衛星上行站。

　　消費類

　　Artix-7 和 Kintex-7 FPGA 支持主流和新興串行協議，實現了功耗和成本優勢，是極具吸引力的 ASIC 和 ASSP 替代品。可重編程性實現了高級圖像增強算法的快速應用和在各種最終產品價格上的特性差異化。

　　a.LED 背光平板顯示器和 3DTV

　　Artix-7 和 Kintex-7 FPGA 提供的功能使得平板顯示器制造商能夠提高圖像質量、降低功耗和削減成本。為 LED 背光控制器實現了復雜的局部調光和照明補償算法。生產具有不同的 LED 區域數量和 LED 布局的直接型照明顯示器，同時調整照明以便與不同供應商生產的面板的物理特性相匹配。為顯示器添加 3D 功能。

　　b.高端消費類數碼單反相機

　　Artix-7 和 Kintex-7 FPGA 實現了低功耗、低成本和小型化，使得高端消費類數碼單反相機制造商能夠在自動對焦鏡頭內實現控制功能，以及在照相機機身控制器/圖像處理 ASIC 內迅速部署增強功能。

　　醫療

　　Kintex FPGA 實現了高性能、低功耗和小型化，可用于多種醫療設備。通過7系列統一架構，工程師能夠迅速調整設計以滿足不同的市場和應用要求。

　　a.便攜式超聲波

　　在芯片級封裝內實現的高 I/O 帶寬和 144GMACS 的 DSP 處理性能讓 Kintex-7 70T FPGA 成了前端和后端超聲波處理的理想之選。設計者可以采用完全可編程的128通道超聲波設計，它可以升至196或256通道以便實現高端手推式解決方案，或者降至64或32通道以便實現手持式尺寸

　　有線通信

　　7系列 FPGA 專為最高帶寬和最低功耗而設計，能夠滿足網絡設備對帶寬的不斷渴求。在不超出現有功耗和冷卻面積的前提下升級硬件以實現容量提升。

　　a.100GE 線卡

　　Virtex-7 FPGA 提供了適當的 I/O、存儲器和邏輯組合，實現了新型線卡的單 FPGA 設計，提高了帶寬

　　b.300G Interlaken 橋接

　　Virtex-7 XT FPGA 的延伸功能有助于實現基礎設施升級，這些器件為 MAC-NPU、NPU-開關和 NPU-TCAM 之間的 Interlaken 行業標準橋接提供了高達 1.9Tbps 的帶寬。

　　無線通信

　　Kintex-7 FPGA 專為最低功耗和經濟型信號處理而設計，提供了符合無線基礎設施 DSP 密集型要求的功能組合，通過成本優化的封裝和在單個 FPGA 內整合多種功能實現了低成本解決方案。

　　a.多模無線電

　　Kintex-7 FPGA 能夠幫助您降低成本和功耗，提供可升級平臺，以及支持多種空中接口標準

　　b.LTE 基帶

　　Kintex-7 FPGA 提供了最高的性價比，所以設計者能夠滿足通用平臺內 LTE 基帶處理嚴苛的延遲要求。

　　理由3 全新Xilinx 7 系列FPGA芯片的絕佳應用

　　正如上文所說，正因為全新Xilinx 7 系列FPGA芯片具備的種種優勢，所以它能做到進一步拓展FPGA的應用領域。其核心市場包括便攜式超聲波設備、無線基礎設備和新一代有線換入設備，新市場則包括數碼單反相機、3D TV平板顯示器以及高性能計算等領域。具體應用詳見下文介紹：

　　(1)數碼單反相機——Artix-7系列 FPGA

　　眾所周知，高級數碼相機已經越來越流行了。據統計，到2010年截止，數碼相機銷售量達到1.5億臺;其中數碼單反相機占上述相機總數的10%。無疑，這種情況將給FPGA帶來上億美元的巨大商機。但是在應用過程中也是有所要求的，如：要盡量避免IC過時;相機內部必須是高精度電機控制;追求低功耗、低成本等。

　　Artix-7 FPGA未出現以前，數碼單反相機中要用是多個ASSP芯片。但是Xilinx Artix-7 FPGA的推出給數碼單反相機帶來了福音。單個Artix-7 FPGA就可代替9個ASSP，還可以顯著降低成本、功耗和尺寸。其具體實施方案對比圖如下圖所示。兩種方案不同的IC成本、功耗、尺寸規格如下表所示。

　　明顯地，通過上表對比可知，相比采用ASSPs而言，采用Artix-7 系列FPGA芯片其成本降低66%、功耗降低37%、尺寸縮小85%。

　　(2)新一代無線多模式無線電——Kintex-7系列FPGA

　　新一代無線多模式無線電要求可移植性。具體來說，就是：能夠經濟高效地滿足不斷提高的數據速率需求;能夠適應新標準;同時還要支持多種空中接口混合使用 (MC-GSM+LTE)。除此之外，其應用要求包括：支持CPRI/OBSAI接口標準;性能可提高至491MHz;降低資本支出和運營支出;降15%的系統成本;實現5個9的可用性(即99.999%的可用性)。

　　正因為上述要求的存在，所以就出現了一個問題：即要求現有的FPGA必須能夠擴展，以滿足嚴格的成本、性能和功耗要求。此時，Xilinx Kintex-7系列FPGA應運而生，正好解決了這個難題。通過下圖我們可以看到相比之前的Virtex-6系列芯片來說，Xilinx Kintex-7系列FPGA在新一代無線多模式無線電上的應用優勢。可以毫不夸張的說，在采用Xilinx Kintex-7系列FPGA后，該方案的性價比提高3倍、功耗降低18%。

　　在系統性能方面，通過下表我們可以看得更清晰：

　　(3)有線通信架構核心——Virtex-7系列FPGA

　　如今，在有線通信架構中，已超過400萬個“智能”設備投入使用;并且視頻點播是無處不在的;此外因特網流量每年以70%以上的速度在增長，所以無形之中，線通信架構的構建就有著永無止境的帶寬需求。在應用方面的話，要求能滿足目前和未來的標準要求、能與眾多端點設備相連、還能在保持低功率和較小占位面積的同時將性能提高3倍，并且可支持“Interlaken”協議。

　　由于容量和連接性要求極高，所以有線通信架構最常采用ASIC方案。采用ASIC方案的NPU或交換結構圖如左下圖所示。

　　但是，隨著超高端FPGA Virtex-7(全球首款單芯片300G 可編程橋接器)的出現，由于Virtex-7芯片在性能、帶寬和功耗上可與ASIC相媲美，并且與未進行功率優化的器件相比，可降低28%的功耗。因此，在有線通信架構的構建中，Virtex-7系列芯片應用的也越來越多了。采用Virtex-7系列方案的NPU或交換結構圖如右上圖所示。下表是兩種方案的對比。從表中就可明顯看出Virtex-7系列芯片的優勢。
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　　除了能在上文提到的數碼單反相機、新一代無線多模式無線電、有線通信架構中有廣泛應用，全新Xilinx 7 系列FPGA芯片還能滿足便攜超聲波設備、大批量10G有線通信設備所需性能;能支持LTE無線網絡部署;還能滿足3D顯示器的功耗和成本要求;下一代廣播視頻點播系統的性能和帶寬;支持新一代有線接入設備和高級雷達系統和高性能計算機系統等等。

　　理由4 電子發燒友網展望：全新Xilinx 7 系列FPGA芯片的美好未來

　　自全新Xilinx 7 系列FPGA芯片橫空出世之后，可編程邏輯技術就已經呈現出一種“勢在必行”之勢。隨著該芯片系列不斷投入市場加以應用，帶寬與靈活性市場需求得到不斷的提高、功耗和成本降低至少一半;性能與容量翻番;采用的目標設計平臺則大幅度提高了生產率;并且越來越少的設計人員選擇使用ASSP;ASIC同樣也難逃厄運。總之，其前景可謂是一片“光明”。