关于FPGA产品的调研报告四大厂商.docx
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关于FPGA产品的调研报告四大厂商
关于FPGA产品的调研报告
1Altera(Intel)
Altera(现已被Intel收购)作为世界老牌可编程逻辑器件的厂家,是90年代以后发展最快的可编程逻辑器件的供应商,在日本和亚太地区用的人多。
AlteraFPGA可提供多种可配置嵌入式SRAM、高速收发器、高速I/O、逻辑模块以及布线;其结合带有软件工具的可编程逻辑技术,缩短了FPGA开发时间,降低了功耗和成本。
1.1开发软件
a)MAX+PLUSII:
普遍认为MAX+PLUSII曾是最优秀的PLD开发平台之一,适合开发早期的中小规模PLD/FPGA,现由QuartusII替代,不再推荐使用;
b)QuartusII:
Altera新一代FPGA/PLD开发软件,适合新器件和大规模FPGA的开发,已经取代MAX+PLUSII。
1.2产品系列
Altera的主流FPGA分为两大类,一种侧重低成本应用,容量中等,性能可以满足一般的逻辑设计要求,如Cyclone,CycloneII等;还有一种侧重于高性能应用,容量大,性能可满足各类高端应用,如Startix,StratixII等,用户可以根据自己实际应用要求进行选择。
AlteraFPGA主要分为Stratix系列、Arria系列、Cyclone系列、MAX系列。
在性能可以满足的情况下,优先选择低成本器件。
1.2.1Stratix系列
Stratix FPGA系列是 Altera 的第一代高端 FPGA 系列,在 FPGA 上同时实现了高性能体系结构和高度集成特性。
Stratix系列产品具有的特性是革命性的,而且还在不断发展。
表1列出了Stratix系列的各个器件。
表1.Stratix器件系列
Stratix系列
Stratix
StratixGX
StratixII
StratixIIGX
StratixIII
StratixIV
StratixV
Stratix10
推出年份
2002
2003
2004
2005
2006
2008
2010
2013
工艺技术
130nm
130nm
90nm
90nm
65nm
40nm
28nm
14nm
三栅极
1.2.1.1StratixFPGA
(1)StratixFPGA
StratixFPGA 能够提供 80K 逻辑单元 (LE) 以及 7.3Mbits 片内 RAM,这些资源排列在 TriMatrix 存储器模块中,工作速度高达 350MHz。
StratixFPGA 支持外部存储器接口,例如:
400Mbps 的 DDRSDRAM、800Mbps 的 QDRIISRAM。
StratixFPGA 还引入了世界上第一款数字信号处理 (DSP) 模块,含有 4 个18x18乘法器、累加器和求和单元。
(2)StratixGXFPGA
在StratixFPGA高性能体系结构特性基础上,StratixGXFPGA 是第一款具有多千兆速率高速串行收发器的可编程逻辑器件。
使用收发器模块支持4路全双工通道和时钟数据恢复 (CDR) 技术,每通道数据传输超过了 3.1875Gbps 。
这一数据速率支持很多常见的高速通信协议,包括:
SerialLite、千兆以太网、万兆以太网/XAUI、SONET/SDH、光纤通道、SerialRapidIO标准、PCIExpress、SFI-5,以及SPI-5等。
1.2.1.2StratixIIFPGA
(1)StratixIIFPGA
StratixIIFPGA作为大容量高性能FPGA,可在最高效的器件中实现高密度逻辑设,从而获得高性能和很好的信号完整性。
该器件基于1.2V、90nm、SRAM工艺,具有15,600至179,400个等价逻辑单元(LE),9Mbits片内RAM,1,170个用户I/O引脚,高度优化的数字信号处理(DSP)模块中具有384个(18x18)嵌入式乘法器。
在Stratix系列的基础上,StratixII具有创新的逻辑结构,高性能的DSP模块和片内存储器,高速I/O引脚和外部存储器接口。
StratixII采用TSMC低k绝缘工艺技术,具有180K等价逻辑单元(LE)和9Mbits嵌入式存储器,StratixIIFPGA是性能最好、密度最高的90nmFPGA,具有Altera的冗余技术,极大的提高了产量,降低了器件成本,同时优化了器件总功耗。
(2)StratixIIGXFPGA
StratixIIGX器件融合了StratixII体系结构,具有20个全双工、高性能、多千兆位收发器。
收发器在整个600-Mbps至6.375-Gbps工作范围内具有优异的抖动性能,同时保持了最低功耗。
StratixIIGXFPGA一个器件中集成了20个基于串化器/解串器(SERDES)的收发器,可为多千兆位串行I/O的应用和协议提供强大的解决方案。
StratixIIGXFPGA具有同类最佳的信号完整性。
其收发器的体系结构可成功的工作在数据速率高达6.375Gbps的50"(1.25m)传输线上,采用标准FR-4材料制作的电路板和背板上,以及2.5Gbps的30mPCIe电缆上。
对此,收发器包括了一些特性以确保如此高的速率下的信号完整性,同时保持了低功耗。
这包括:
即插即用信号完整性和业界第一款自适应均衡器——Altera的自适应散射补偿引擎(ADCE);具有动态选择信号完整性的物理介质附加(PMA)层(包括锁相环(PLL)体系结构);收发器动态重新配置支持多种协议、数据速率和物理介质附加子层(PMA)设置;与最相近的竞争方案相比,电路经过优化,功耗降低了一半。
StratixIIGXFPGA可提供全面的协议解决方案。
StratixIIGXFPGA是目前很多高速串行应用中关键协议全面解决方案的组成。
为PCIExpress、CEI-6G、串行数字接口(SDI)、千兆以太网、SerialRapidIO(SRIO)、XAUI、SerialLiteII、光纤通道以及SONET标准提供支持。
这一全面的解决方案包括:
专用物理编码子层(PCS)协议电路、Altera及其AMPPSM合作伙伴提供的优化协议知识产权(IP)、与协议相关的特征报告、资料和参考设计、专用协议开发套件、StratixIIGX版PCIExpress开发套件、StratixIIGX版音频视频开发套件。
StratixIIGXFPGA具有创新的逻辑结构。
StratixIIGXFPGA采用了StratixII FPGA中创新的自适应逻辑模块(ALM)逻辑结构,使用TSMC的90-nm低k绝缘工艺技术,经过优化提高了性能,控制了电流泄漏。
一片StratixIIGXFPGA能够提供20个高速串行收发器,以及130K等价逻辑单元(LE)、6.7Mbits的嵌入式存储器,252个(18位x18位)乘法器能够高效实现高性能滤波器和其他数字信号处理(DSP)功能。
1.2.1.3StratixIIIFPGA
StratixIII器件系列是结合高性能、高密度和低功耗的高端FPGA,其性能随着设计容量的提高更加明显。
StratixIII器件经过设计,最低的功耗需求比StratixII低50%,没有热沉或者强制空气散热带来的可靠性风险,性能比StratixII提高了25%,容量是StratixIIFPGA的两倍,具有高达533-MHzDDR3的高性能存储器接口,性能达到1.6Gbps的LVDS,在LVDSI/O上支持串行千兆位介质无关接口(SGMII)。
StratixIIIGX器件含有工作速率高达6.5GHz的同类最佳嵌入式收发器,以极低的功耗实现了高性能逻辑和片内串化器/解串器(SERDES)的完美组合。
AlteraStratixIIIFPGA提供三种型号,分别针对逻辑、DSP和存储器以及收发器进行了优化:
StratixIIIL 器件主要针对逻辑较多的应用,StratixIIIE 器件主要针对DSP和存储器较多的应用,StratixIIIGX器件含有多吉比特收发器。
可编程功耗技术使StratixIII逻辑架构能够在逻辑阵列模块(LAB)级进行编程,根据设计需求提供高速或者低功耗逻辑。
在这种方式中,只有很少比例的电路是关键时序电路,需要采用高速设置,而其他电路则采用低功耗设置,使低功耗逻辑的功率泄漏降低了70%。
此外,没有使用的逻辑以及DSP模块和TriMatrix存储器进入低功耗模式,进一步降低了功耗。
1.2.1.4StratixIVFPGA
在先进成熟的StratixIII体系结构基础上,StratixIVFPGA实现了大容量、功能丰富的高性能内核架构。
结合灵活的I/O、宽带收发器和存储器接口,Stratix IVFPGA满足了无线通信、固网、军事、广播和其他市场领域对高端数字系统的需求。
具有以下关键优势:
a)高密度:
具有680K逻辑单元(LE)、22.4Mbits嵌入式存储器和1,360个18x18乘法器;
b)高性能:
具有2个速率等级优势;
c)系统带宽:
具有8.5Gbps的48个高速收发器,以及1,067Mbps(533MHz)DDR3存储器接口;
d)低功耗:
在40nm优势和可编程功耗技术的支持下,比市场上的其他同类高端FPGA功耗低50%;
e)PCIExpress硬核知识产权(IP) Gen1(2.5Gbps)和Gen2(5.0Gbps),4个x8模块,实现了全端点或者根端口功能;
f)优异的信号完整性:
能够驱动50"背板,速度达到6.375Gbps,支持即插即用信号完整性。
Stratix® IVFPGA系列包括以下三种器件型号:
StratixIVGT(基于收发器)FPGA、StratixIVGX(基于收发器)FPGA、StratixIVE(增强型器件)FPGA。
StratixIVGT(基于收发器)FPGA:
具有530K逻辑单元(LE)和48个全双工基于CDR的收发器,速率达到11.3Gbps。
StratixIVGX(基于收发器)FPGA:
具有530K逻辑单元(LE)和48个全双工基于CDR的收发器,速率达到8.5Gbps。
StratixIVE(增强型器件)FPGA:
具有820KLE,23.1MbitRAM,1,288个18x18位乘法器。
StratixIVFPGA支纵向移植,在每一系列型号中都能灵活的进行器件选择。
而且, StratixIII和StratixIVE 器件之间有纵向移植途径,因此,我们可以在StratixIII器件上启动设计,不需要改动PCB就能够转到容量更大的StratixIVE器件上。
1.2.1.5StratixVFPGA
Altera 28-nmStratix VFPGA在高端应用中实现了业界最大带宽和最高系统集成度,非常灵活,降低了成本和总功耗。
该系列包括四个器件型号:
a)带有收发器的StratixVGXFPGA:
集成了66个全双工、支持背板应用的14.1-Gbps收发器,以及高达800MHz的6x72位DIMMDDR3存储器接口,支持芯片至芯片/芯片至模块。
适用于高性能、宽带应用。
;
b)带有增强数字信号处理(DSP)功能和收发器的StratixVGSFPGA:
集成了4,096个18位x18位高性能精度可调乘法器、支持背板应用的48个全双工、14.1-Gbps收发器,以及高达800MHz的7x72位DIMMDDR3存储器接口,支持背板、芯片至芯片/芯片至模块,适用于高性能精度可调数字信号处理(DSP)应用。
;
c)带有收发器的StratixVGTFPGA:
集成了4个28-Gbps收发器,32个全双工、提供28.05G收发器、支持12.5Gbps背板应用的收发器,以及高达800MHz的4x72位DIMMDDR3存储器接口,适用于需要超宽带和超高性能的应用,例如,40G/100G/400G应用;
d)StratixVEFPGA:
具有950KLE、52MbRAM、704个18位x18位高性能精度可调乘法器和840个I/O,适用于ASIC原型开发。
1.2.1.6Stratix10FPGA
Stratix10设备采用了革命性的英特尔HyperFlex™ FPGA架构和英特尔14纳米三栅极制造工艺,与上一代的高性能FPGA相比,内核性能提高一倍,同时功耗降低70%,在性能、功耗、密度和系统集成方面具有业界无与伦比的显著优势。
Stratix10产品家族系列有Stratix10GXFPGA、Stratix10SX系统芯片、Stratix10TXFPGA、Stratix10MXFPGA。
a)Stratix10GXFPGA:
专为满足高吞吐量系统的高性能要求而设计,可提供高达10万亿次的浮点性能,其收发器在芯片模块应用、芯片到芯片应用和背板应用中可支持高达28.3Gbps的速度;
b)Stratix10SX:
系统芯片采用硬处理器系统,除具备Stratix10GX设备的所有功能之外,支持各种密度的64位四核ARMCortex-A53处理器;
c)Stratix10TXFPGA:
将H-tile收发器和E-tile收发器相结合,提供了业内最先进的收发器功能。
E-tile收发器提供双模收发器功能,允许单个收发器信道在PAM-4模式下以最高56Gbps的速度运行,在NRZ模式下以最高30Gbps的速度运行。
Stratix10TXFPGA还支持StratixGX和SX产品系列的其他突破性创新;
d)Stratix10MXFPGA:
在一个封装中将Stratix10FPGA和系统芯片的可编程性和灵活性与3D堆叠高带宽内存2(HBM2)融合在一起,支持H-tile收发器和E-tile收发器。
1.2.2Arria系列
Arria系列作为中端系列,适用于对成本和功耗敏感的收发器以及嵌入式应用。
ArriaFPGA系列提供丰富的存储器、逻辑和数字信号处理(DSP)模块资源,结合28.05Gbps收发器优异的信号完整性,可集成更多的功能并提高系统带宽。
而且ArriaV器件系列的SoCFPGA还具有基于ARM的硬核处理器系统(HPS),进一步提高了集成度,降低了功耗。
表2列出了Arria的各个器件。
表2.Arria器件系列
Arria系列
ArriaGX
ArriaIIGX
ArriaIIGZ
ArriaVGX,GT,SX
ArriaVGZ
Arria10GX,GT,SX
推出年份
2007
2009
2010
2011
2012
2013
工艺技术
90nm
40nm
40nm
28nm
28nm
20nm
1.2.2.1ArriaGXFPGA
ArriaGXFPGA含有Altera的第四代收发器,是Altera带有收发器的中端FPGA系列,其收发器速率高达3.125Gbps,可利用它来连接支持PCIExpress、千兆以太网、SerialRapidIO、SDI等协议的现有模块和器件。
ArriaGX收发器基于最初为StratixIIGXFPGA系列而成功开发,所有系列均采用90nm工艺技术生产,使用相同的物理介质附加(PMA)电路。
ArriaGX还含有StratixIIGXFPGA物理编码子层(PCS)的子集。
结合倒装焊封装,这些特性在低成本收发器FPGA中可确保设计具有优异的信号完整性。
1.2.2.2ArriaIIFPGA
ArriaIIFPGA基于全功能40nmFPGA架构,含有成本最低的6.375Gbps收发器FPGA,静态功耗比竞争产品低50%。
它包括自适应逻辑模块(ALM)、数字信号处理(DSP)模块和嵌入式RAM,以及硬核PCIExpress®IP。
相比其他的6G收发器FPGA系列,ArriaIIFPGA实用性更强,可更迅速地完成工程设计。
该器件系列有两个型号:
a)ArriaIIGXFPGA:
现在发售的ArriaIIGXFPGA有速度最快的收发器、LVDS和存储器,以最低的成本和功耗实现了丰富的功能。
同时该型号FPGA提供16个6.375-Gbps收发器,非常适合专业摄像机的输出处理等多种应用。
b)ArriaIIGZFPGA:
ArriaIIGZFPGA是新型号,具有ArriaIIGXFPGA的成本和功耗优势,进一步拓展了器件的功能,适合宽带应用。
该型号包括24个6.375-Gbps收发器,密度更大,存储器更多,数字信号处理(DSP)功能更强。
ArriaIIFPGA支持纵向移植,因此,用户可以先采用一个器件开始设计,以后需要的时候,将设计转换到密度不同的器件上。
1.2.2.3ArriaVFPGA
ArriaVFPGA可为远程射频单元、10G/40G线路卡以及广播演播设备等中端应用实现单位带宽最低功耗,是需要高达12.5Gbps收发器低功耗设计的理想选择。
ArriaVGX和GTFPGA使用了28nm低功耗工艺实现了最低静态功耗,设计了具有硬核IP的优异架构从而降低了动态功耗。
在10G数据速率,ArriaVGZFPGA每通道功耗不到180mW;在12.5Gbps,每通道功耗不到200mW;ArriaVGZFPGA的-3L速率等级器件进一步降低了静态功耗。
与前一代中端FPGA相比,ArriaV器件的平均功耗降低了40%。
Arria VSoCFPGA在一个基于ARM的用户可定制芯片系统(SoC)中集成了分立处理器、FPGA和数字信号处理(DSP)功能。
SoCFPGA使用宽带互联干线链接,在FPGA架构中集成了HPS(包括处理器、外设和存储器控制器),降低了系统功耗和成本,减小了电路板面积,提高了系统性能。
HPS与Altera的28-nm低功耗FPGA架构相结合,实现了应用类ARM处理器的性能,它还具备了ArriaVFPGA灵活的数字信号处理(DSP)功能,同时可实现硬核知识产权(IP)的性能、低功耗特性以及可编程逻辑的灵活性。
1.2.2.4Arria10FPGA
Arria10设备具有业界唯一的硬核浮点数字信号处理(DSP)模块,速率高达每秒1.5Tera 次浮点运算(TFLOPS),实现了新的DSP性能水平;此外,Arria10系列提供可编程逻辑行业仅有的20nm基于ARM的SoC,可提供高达1.5GHz的时钟速度,相比竞争FPGA和SoC可提供高出一个速度等级的内核性能和高达20%的最高频率优势。
与前一代中端FPGA相比,英特尔的Arria10FPGA和SoC性能提高了60%,功耗降低了40%,而与前一代高端FPGA相比,性能提高了15%,功耗降低了60%。
目前Arria10器件系列型号主要包括:
Arria10GT、GX、SXFPGA。
a)Arria10GT:
支持78个全双工收发器,数据速率高达25.78Gbps芯片至芯片,背板达到12.5Gbps,还有1,150K等价LE;
b)Arria10GX:
支持96个全双工收发器,数据速率高达17.4Gbps芯片至芯片,背板达到12.5Gbps,还有1,150K等价LE;
c)Arria10SX:
SoC支持双核ARMCortex-A9HPS,48个全双工收发器,数据速率高达17.4Gbps芯片至芯片,背板达到12.5Gbps,还有660K等价LE。
1.2.3Cyclone系列
Cyclone系列作为低端系列,可满足客户对低功耗、低成本设计的需求。
每一代CycloneFPGA在提供集成度和性能的前提下,降低功耗,并满足低成本要求,表3出了Cyclone的各个器件。
表3.Cyclone器件系列
Cyclone系列
Cyclone
CycloneII
CycloneIII
CycloneIV
CycloneV
Cyclone10
推出年份
2002
2004
2007
2009
2011
2017
工艺技术
13um
90nm
是否建议新设计使用
否
否
是
是
是
是
1.2.3.1CycloneFPGA
Cyclone-13umFPGA作为Altera中等规模FPGA,基于成本优化的全铜1.5VSRAM而开发,与Stratix结构类似,是大容量、高密度、低成本的最佳解决方案,适合作为中低端应用的通用FPGA。
CycloneFPGA综合考虑了逻辑、存储器、锁相环(PLL)和高级I/O接口,采用新的串行配置器件的低成本配置方案,其嵌入式存储器资源支持多种存储器应用和数字信号处理(DSP)实现,专用外部存储器接口电路支持与DDRFCRAM和SDRAM器件以及SDRSDRAM存储器的连接,同时支持串行总线和网络接口以及多种通信协议,片内和片外系统时序管理使用嵌入式PLL,支持单端I/O标准和差分I/O技术,LVDS信号数据速率高达640Mbps,是Altera最成功的器件之一。
1.2.3.2CycloneIIFPGA
在Altera大获成功的第一代Cyclone器件系列基础上,Cyclone II FPGA从根本上针对低成本进行设计,为成本敏感的大批量应用提供用户定制特性,采用90nm工艺,1.2V内核供电,以低于ASIC的成本实现了高性能和低功耗。
CycloneII作为CycloneFPGA的下一代产品,其密度分布范围广,含有丰富的存储器和嵌入式乘法器,并提供多种封装选择。
同时支持低成本应用中常见的各种外部存储器接口和I/O协议。
1.2.3.3CycloneIIIFPGA
Cyclone IIIFPGA系列采用全层铜、低k、1.2VSRAM工艺设计,在TSMC非常成功的90-nm工艺技术上使用300mm圆晶片开发,优化实现了最小管芯体积。
该系列设立了功耗标准,采用台积电(TSMC)的低功耗(LP)工艺技术进行制造,实现了静态功耗不到1/4W。
这一FPGA系列主要包括:
a)CycloneIII:
是功耗最低、成本最低的高性能FPGA,含有120K垂直排列的逻辑单元(LE)、以9Kbit(M9K)模块排列的4Mbits嵌入式存储器和200个18x18嵌入式乘法器;;
b)CycloneIIILS:
是安全特性、功耗最低的FPGA,在布局上提供丰富的存储器和乘法器资源,包括200K逻辑单元、8.2Mbits嵌入式存储器和396个嵌入式乘法器。
该系列在硬件、软件和知识产权(IP)层面上率先实现了一系列安全特性,可保证用户IP不被篡改、逆向剖析和克隆。
而且通过设计分离特性,用户可在一个芯片中实现冗余功能,从而减小了实际应用的体积、重量和功耗。
以上体系结构都含有非常高效的互联和低偏移时钟网络,在时钟逻辑结构和数据信号之间提供互联。
逻辑和走线内核架构周围是I/O单元(IOE)和锁相环(PLL)。
1.2.3.4CycloneIVFPGA
Al
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