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Xilinx主流FPGA芯片简介(一)

世界上第一款FPGA芯片由Xilinx公司于1984年推出。之后,从XC330、XC4000到Spartan-6系列、Virtex-6和最新的Artix-7、Kintex-7以及Virtex-7系列,Xilinx公司一直保持着FPGA领域的全球领先地位。目前,XC300、XC4000、Spartan、Spartan-XL、Virtex-E、Spartan-2和Viterx-2系列已经被淘汰或者正逐步推出市场,Sprtan-6和Viterx-6以后的FPGA产品为其目前主流产品。

Spartan类

Spartan系列适用于普通的工业、商业等领域,目前主流的芯片包括Spartan-3A、Spartan-3A DSP以及Spartan-6等种类。Spartan系列芯片不仅在逻辑容量方面有较大的提升,还增强了大量的内嵌专用乘法器和专用块RAM资源,具备实现复杂数字信号处理和片上可编程系统的能力。

Spartan-3A和Spartan-3A DSP系列

Spartan-3A在Spartan-3和Spartan-3E平台的基础上,整合了各种创新特性帮助客户极大地削减了系统总成本。利用独特地器件DNA ID技术,实现业内首款FPGA电子序列号;提供了经济、功能强大地机制来防止发生纂改、克隆和过度设计地现象;并且具有集成式看门狗监控功能地增强型多重启动特性。支持商用Flash存储器,有助于削减系统总成本。其主要特性为:

  1. 采用90nm工艺,密度高达74880个逻辑单元。
  2. 工作时钟范围为5~320MHZ。
  3. 领先的连接功能平台,具有最广泛的I/O标准(26种,包括新的TMDS和PPDS)支持。
  4. 利用独特的Device DNA序列号实现业内首个功能强大的防克隆安全特性。
  5. 五个器件,具有高达4M的系统门和502个I/O。
  6. 灵活的功耗管理。

Spartan-3A DSP平台提供最具有成本效益的DSP器件,其架构的核心就是XtremeDSP DSP48A slice,还提供了性能超过30GMAC/s、存储器带宽高达2196Mb/s的新型XC3SD3400A和XC3SD1800A器件。新型Spartan-3A DSP平台是成本敏感型DSP算法和需要极高DSP性能的协处理器应用的理想之选。其主要特征如下特征:

  1. 采用90nm工艺,密度高达74880个逻辑单元;
  2. 内嵌的DSP48A可以工作到250MHZ;
  3. 采用结构化的SelectRAM架构,提供了大量的片上存储单元;
  4. Vccaux的电压支持5V和3.3V,对于3.3V的应用简化了设计;
  5. 低功耗效率,Spartan-3A DSP器件具有很高的信号处理能力,可达06GMACs/mW。

Spartan-6系列

第六代Spartan系列产品Spartan-6 FPGA基于公认的低功耗45nm、9-金属同层、双栅极氧化层工艺技术,提供了高级功耗管理技术、150000个逻辑单元、硬核PCI Express模型、硬核DRAM存储器、250MHZ DSP Slice和3.125Gb/s低功耗收发器,为成本敏感型应用提供了最佳的低风险、低成本、低功耗和高性能均衡。

其主要特性如下:

  1. 采用45nm工艺,密度高达150000个逻辑单元;
  2. 1个slice内部具有4个6输入查找表和8个触发器;
  3. 单个块RAM的大小为36kb
  4. 内嵌的DSP48 Slice可以工作到250MHZ;
  5. LXT系列为低成本串行收发器,最高速率可达125Gb/s;
  6. 具有SDRAM硬核控制器;
  7. Vccaux的电压支持5V和3.3V,对于3.3V的应用简化了设计。

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Virtex类

Virtex系列是xilinx的高端产品,也是业界的顶级产品,xilinx公司正是凭借virtex系列产品赢得市场,从而获得FPGA供应商的领军地位。可以说xilinx以其Virtex系列FPGA产品引领现场可编程门阵列行业,主要面向电信基础设施、汽车工业、高端消费电子商务等应用。目前,主流芯片包括Virtex-5和Virtex-6,其Slice结构都是6输入的LUT结构,包含4个6输入查找表和8个触发器。

Virtex-5系列

Virtex-5系列是Xilinx 65nm一代的FPGA产品,计划提供4种新型平台,每种平台都在高性能逻辑、串行连接功能、信号处理和嵌入式处理性能方面实现了最佳平衡。现有的3款平台为LX、LXT以及SXT。LX针对高性能逻辑进行了优化,LXT针对具有低功耗串行连接功能的高性能逻辑进行了优化,SXT针对具有低功耗串行连接功能的DSP和存储器密集型应用进行了优化,其主要特点如下:

  1. 采用了最新的65nm工艺,结合低功耗IP块将动态功耗降低了35%;此外,还利用65nm三栅极氧化层技术保持低静态功耗;
  2. 利用65nm ExpressFabric技术,实现了真正的6输入LUT,并将性能提高2个速度级别;
  3. 内置有用于构建更大型阵列的FIFO逻辑和ECC的增强型36Kb block RAM带有低功耗电路不通顺,可以关闭未使用的存储器;
  4. 逻辑单元多达330000个,可以实现无与伦比的高性能;
  5. I/O引脚多达1200个,可以实现高带宽存储器/网络接口,25Gb/s LVDS;
  6. 低功耗收发器多达24个,可以实现100Mb/s~3.75Gb/s高速串行接口;
  7. 核电压为1V,550MHZ系统时钟;
  8. 550MHZ DSP48E slice内置有25x18MAC,,提供352GMCS的性能,能够在将资源使用率降低50%的情况下,实现单精度浮点运算;
  9. 利用内置式PCIe端点和以太网MAC模块提高面积效率;
  10. 更加灵活的时钟管理管道(clock Management Tile),结合了用于进行精确时钟相位控制与抖动滤除的新型PLL和用于各种时钟综合的数字时钟管理器(DCM);
  11. 采用了第二代Sparse chevron封装,改善了信号完整性,并封装了系统成本;
  12. 增强了器件配置,支持商用Flash存储器,从而降低成本

Virtex-6系列

Virtex是目前Xilinx公司最新量产的旗舰产品,比Virtex-5功耗降低多达50%,陈本降低多达20%。该系列产品进行最合适的组合优化,包括灵活性、硬内核IP、收发器功能以及开发工具支持,从而可以帮助客户满足市场需求,在追求更高带宽的同时,适应不断演化的标准以及苛刻的性能要求。在无线/有线通信、广播、航空航天以及国防等领域中有着广泛应用。

Virtex-6 FPGA系列包括三个方面应用领域而优化的FPGA平台,分别提供了不同的特性和功能组合来更好的满足不同客户应用的需求:

  1. Virtex-6 LXT FPGA—专门应用于需要高性能逻辑、DSP以及基于低功耗GTX 6.5Gb/s串行收发器的串行连接能力。
  2. Virtex-6 SXT FPGA—专门应用于需要超高性能DSP以及基于低功耗GTX 6.5Gb/s串行收发器的串行连接能力。
  3. Virtex-6 HXT FPGA—专门应用于需要最高的串行连接能力,多达64个GTH串行收发器可提供高达2Gb/s带宽

Virtex-7系列

Virtex®-7 FPGA 针对 28nm 系统性能与集成进行了优化,可为您的设计带来业界最佳的功耗性能比架构、DSP 性能以及 I/O 带宽。 该系列可用于 10G 至 100G 联网、便携式雷达以及 ASIC 原型设计等各种应用。

  1. 高达2M逻辑单元,与VCXO元件、AXI IP、和AMS集成
  2. 实现8Tb/s总串行带宽,支持96×13.1G GTs、16×28.05G GTs、5335 GMACs、68Mb BRAN、DDR3-1866
  3. 与多芯片解决方案相比,其成本可降低40%
  4. 与多芯片解决方案相比,其功耗降低达70%
  5. 具有可扩展的优化架构、综合全面工具、IP核以及TDP

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Zynq-7000 SoC

Zynq®-7000 SoC 系列集成 ARM® 处理器的软件可编程性与 FPGA 的硬件可编程性,不仅可实现重要分析与硬件加速,同时还在单个器件上高度集成 CPU、DSP、ASSP 以及混合信号功能。Zynq-7000 系列包括单核 Zynq-7000S 器件和双核 Zynq-7000 器件,是单位功耗性价比最高的全面可扩展的 SoC 平台

Zynq-7000S

Zynq-7000S 器件采用与 28nm Artix®-7 可编程逻辑配对的单核 ARM Cortex™-A9 处理器,是可扩展 Zynq-7000 平台的最低成本产品。Zynq-7000S 和 6.25Gb/s 收发器一起提供,配备有通用固化外设,所实现的成本优化系统集成是电机控制与嵌入式视觉等工业物联网应用的理想选择。

Zynq-7000

Zynq-7000 器件配备双核ARM Cortex-A9处理器,该处理器与基于 28nm Artix-7 或 Kintex®-7的可编程逻辑集成,可实现优异的性能功耗比和最大的设计灵活性。Zynq-7000 具有高达6.25M的逻辑单元以及从 6.6Gb/s 到 12.5Gb/s 的收发器,可为多摄像头驾驶员辅助系统和4K2K 超高清电视等大量嵌入式应用实现高度差异化的设计。

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