電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：賽靈思FPGA 7系列芯片正以燎原之勢席卷整個(gè)行業(yè)。在本文，電子發(fā)燒友網(wǎng)小編將帶領(lǐng)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(yōu)點(diǎn)、芯片典型應(yīng)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(yè)界性價(jià)比之王

　　賽靈思的最新7系列FPGA芯片包括3個(gè)子系列，Artix-7、 Kintex-7和Virtex-7。在介紹芯片之前，先看看三個(gè)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(yè)界最低功耗和最低成本

　　通過表1我們不難得出以下結(jié)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(yè)界最佳性價(jià)比

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

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

　　理由2 全新Xilinx 7 系列FPGA芯片優(yōu)勢全析

　　(1)總體優(yōu)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(kuò)展性，可實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)性能水平。

　　表 賽靈思7系列FPGA具有高度的可擴(kuò)展性，可實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)性能水平

　　三個(gè)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(fā)，在性能、工耗、成本方面比上代產(chǎn)品均有大幅改進(jìn)。全新Xilinx 7 系列FPGA芯片，在功耗、性能和設(shè)計(jì)可移植性方面都取得了重大進(jìn)展。

　　新系列產(chǎn)品采用針對低功耗高性能精心優(yōu)化的28 nm 工藝技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)出色的生產(chǎn)率，解決 ASIC 和 ASSP 等其他方法開發(fā)成本過高、過于復(fù)雜且不夠靈活的問題，使 FPGA平臺能夠滿足日益多樣化的設(shè)計(jì)群體的需求。28nm 工藝和設(shè)計(jì)創(chuàng)新突破性地將功耗降低了50%。統(tǒng)一架構(gòu)保存了 IP 投資，加快了設(shè)計(jì)移植。這些 FPGA 系列是 Xilinx 新一代、領(lǐng)域優(yōu)化和特定市場專用目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺的基礎(chǔ)。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(yōu)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(gè)很大的特色，那就是三個(gè)子系列的架構(gòu)完全統(tǒng)一。這個(gè)統(tǒng)一的架構(gòu)其實(shí)基于Virtex-6，從這三個(gè)子系列的任意一款都可以很輕易地轉(zhuǎn)移到另一款的開發(fā)，高中低端之間的轉(zhuǎn)換可以隨時(shí)進(jìn)行，設(shè)計(jì)方案可根據(jù)需要收放。如下圖所示，主要現(xiàn)在三個(gè)方面：均為降低功耗和提高性價(jià)比而優(yōu)化;通用的邏輯單元、BRAM、接口;輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)擴(kuò)展。

　　比如用同一個(gè)IP，既可以開發(fā)高端售貨機(jī)又可以轉(zhuǎn)而開發(fā)低端手持設(shè)備。這個(gè)特性極大地幫助廠商提高生產(chǎn)效率，他們不需要對每代產(chǎn)品進(jìn)行高昂的IP和方案重設(shè)計(jì)，而能快速地?cái)U(kuò)展產(chǎn)品，滿足相鄰市場的需求。當(dāng)然，對于希望利用最新7系列 FPGA 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能或提高系統(tǒng)性能和容量的客戶來說，他們可以先用 Virtex-6 和 Spartan-6 FPGA 進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后在時(shí)機(jī)成熟時(shí)將設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(jià)格降低35%;

　　b. 利用基于Virtex系列架構(gòu)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(nèi)置式 Gen1x4 PCI Express? 技術(shù)實(shí)現(xiàn)3.75Gpbs 串行連接功能;

　　d.絲焊芯片級BGA封裝，實(shí)現(xiàn)了小型化和低成本;

　　能滿足電池供電的便攜式超聲波設(shè)備的低功耗高性能需求

　　能滿足商用數(shù)碼相機(jī)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(shè)備嚴(yán)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(yīng)用的要求，如便攜式超聲波、數(shù)字照相機(jī)控制和軟件定義無線電。

　　(3)Kintex-7 系列

　　a. 標(biāo)榜業(yè)界最高系統(tǒng)性能和容量，密度達(dá)到200萬個(gè)邏輯單元，比所有以前和現(xiàn)有的FPGA高出2.5倍

　　b. 與Virtex-6相比，Virtex-7的系統(tǒng)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(xué)有線通信設(shè)備等各種應(yīng)用所需的高性能 10.3Gbps 或低成本優(yōu)化的 6.5Gbps 串行連接性、存儲器和邏輯性能

　　d.實(shí)現(xiàn)了信號處理性能、功耗和成本的最佳平衡，能支持長期演進(jìn) (LTE) 無線網(wǎng)絡(luò)部署，滿足新一代高清 3D 平板顯示器嚴(yán)格的功耗和成本要求

　　e.提供新一代廣播視頻點(diǎn)播系統(tǒng)所需的性能和帶寬

　　f.10.3125Gbps 串行連接功能和內(nèi)置式 Gen2x8 PCI Express 技術(shù)

　　g.豐富的塊存儲器和 DSP 資源，是無線 LTE 基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、LED 背光和 3D 數(shù)字視頻顯示器、醫(yī)學(xué)成像與航空電子成像系統(tǒng)的理想之選。

　　(4)Virtex-7 系列

　　a. 樹立了全新的業(yè)界性能基準(zhǔn);

　　b. 與Virtex-6 器件相比，系統(tǒng)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(yè)界密度最高的 FPGA，多達(dá)2百萬個(gè)邏輯單元實(shí)現(xiàn)了突破性容量;

　　d. 采用 EasyPath-7 器件，無需任何設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換就能確保將成本降低 35%;

　　e. 支持 400G 橋接和交換結(jié)構(gòu)有線通信系統(tǒng)，是全球有線基礎(chǔ)設(shè)施的核心; f.

　　g. 支持高級雷達(dá)系統(tǒng)和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能夠滿足單芯片 TeraMACC 信號處理能力的要求以及新一代測試測量設(shè)備的邏輯密度、性能和 I/O 帶寬要求;

　　h.實(shí)現(xiàn)新一代 100GE 線卡、300G 橋、兆兆位級交換機(jī)結(jié)構(gòu)、100G OTN 波長轉(zhuǎn)換器、雷達(dá)和 ASIC 仿真。

　　總的來說，取得了行業(yè)突破性進(jìn)展的 7 系列 FPGA 系列芯片具備如下表所示優(yōu)勢：

　　xilinx的FPGA系列芯片性能 對比

　　現(xiàn)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(gòu)成的可編程半導(dǎo)體器件。相對于專為特定設(shè)計(jì)定制構(gòu)建的專用集成電路 (ASIC) 而言，F(xiàn)PGA 能通過編程來滿足應(yīng)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(yè)優(yōu)勢

　　航空航天和軍用產(chǎn)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(dá)、軍事通信和高級成像系統(tǒng)提供了 SWAP-C 優(yōu)勢。

　　a.航空電子

　　Kintex-7 FPGA 的高性價(jià)比增強(qiáng)了飛機(jī)視頻數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的 SWAP-C 優(yōu)勢。

　　b.雷達(dá)

　　Virtex-7 FPGA 削減了面向便攜式雷達(dá)系統(tǒng)的 SWAP-C。

　　廣播

　　Kintex-7 FPGA 為主流設(shè)計(jì)帶來了 10Gbps 的串行連接功能，實(shí)現(xiàn)了新一代數(shù)字視頻分配系統(tǒng)。

　　a.Video-over-IP 網(wǎng)關(guān)

　　Kintex-7 FPGA 為遠(yuǎn)距離 WAN 傳送實(shí)現(xiàn)了串行數(shù)字接口(SDI)協(xié)議與 IP 技術(shù)的經(jīng)濟(jì)型、低功耗橋接，從而能夠利用標(biāo)準(zhǔn) IP 網(wǎng)絡(luò)連接本地錄播室/現(xiàn)場活動(dòng)、廣播設(shè)施和衛(wèi)星上行站。

　　消費(fèi)類

　　Artix-7 和 Kintex-7 FPGA 支持主流和新興串行協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了功耗和成本優(yōu)勢，是極具吸引力的 ASIC 和 ASSP 替代品?？芍鼐幊绦詫?shí)現(xiàn)了高級圖像增強(qiáng)算法的快速應(yīng)用和在各種最終產(chǎn)品價(jià)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(zhì)量、降低功耗和削減成本。為 LED 背光控制器實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的局部調(diào)光和照明補(bǔ)償算法。生產(chǎn)具有不同的 LED 區(qū)域數(shù)量和 LED 布局的直接型照明顯示器，同時(shí)調(diào)整照明以便與不同供應(yīng)商生產(chǎn)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(fèi)類數(shù)碼單反相機(jī)

　　Artix-7 和 Kintex-7 FPGA 實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本和小型化，使得高端消費(fèi)類數(shù)碼單反相機(jī)制造商能夠在自動(dòng)對焦鏡頭內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制功能，以及在照相機(jī)機(jī)身控制器/圖像處理 ASIC 內(nèi)迅速部署增強(qiáng)功能。

　　醫(yī)療

　　Kintex FPGA 實(shí)現(xiàn)了高性能、低功耗和小型化，可用于多種醫(yī)療設(shè)備。通過7系列統(tǒng)一架構(gòu)，工程師能夠迅速調(diào)整設(shè)計(jì)以滿足不同的市場和應(yīng)用要求。

　　a.便攜式超聲波

　　在芯片級封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)者可以采用完全可編程的128通道超聲波設(shè)計(jì)，它可以升至196或256通道以便實(shí)現(xiàn)高端手推式解決方案，或者降至64或32通道以便實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對帶寬的不斷渴求。在不超出現(xiàn)有功耗和冷卻面積的前提下升級硬件以實(shí)現(xiàn)容量提升。

　　a.100GE 線卡

　　Virtex-7 FPGA 提供了適當(dāng)?shù)?I/O、存儲器和邏輯組合，實(shí)現(xiàn)了新型線卡的單 FPGA 設(shè)計(jì)，提高了帶寬

　　b.300G Interlaken 橋接

　　Virtex-7 XT FPGA 的延伸功能有助于實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施升級，這些器件為 MAC-NPU、NPU-開關(guān)和 NPU-TCAM 之間的 Interlaken 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)橋接提供了高達(dá) 1.9Tbps 的帶寬。

　　無線通信

　　Kintex-7 FPGA 專為最低功耗和經(jīng)濟(jì)型信號處理而設(shè)計(jì)，提供了符合無線基礎(chǔ)設(shè)施 DSP 密集型要求的功能組合，通過成本優(yōu)化的封裝和在單個(gè) FPGA 內(nèi)整合多種功能實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)

　　b.LTE 基帶

　　Kintex-7 FPGA 提供了最高的性價(jià)比，所以設(shè)計(jì)者能夠滿足通用平臺內(nèi) LTE 基帶處理嚴(yán)苛的延遲要求。

　　理由3 全新Xilinx 7 系列FPGA芯片的絕佳應(yīng)用

　　正如上文所說，正因?yàn)槿耎ilinx 7 系列FPGA芯片具備的種種優(yōu)勢，所以它能做到進(jìn)一步拓展FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域。其核心市場包括便攜式超聲波設(shè)備、無線基礎(chǔ)設(shè)備和新一代有線換入設(shè)備，新市場則包括數(shù)碼單反相機(jī)、3D TV平板顯示器以及高性能計(jì)算等領(lǐng)域。具體應(yīng)用詳見下文介紹：

　　(1)數(shù)碼單反相機(jī)——Artix-7系列 FPGA

　　眾所周知，高級數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)越來越流行了。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2010年截止，數(shù)碼相機(jī)銷售量達(dá)到1.5億臺;其中數(shù)碼單反相機(jī)占上述相機(jī)總數(shù)的10%。無疑，這種情況將給FPGA帶來上億美元的巨大商機(jī)。但是在應(yīng)用過程中也是有所要求的，如：要盡量避免IC過時(shí);相機(jī)內(nèi)部必須是高精度電機(jī)控制;追求低功耗、低成本等。

　　Artix-7 FPGA未出現(xiàn)以前，數(shù)碼單反相機(jī)中要用是多個(gè)ASSP芯片。但是Xilinx Artix-7 FPGA的推出給數(shù)碼單反相機(jī)帶來了福音。單個(gè)Artix-7 FPGA就可代替9個(gè)ASSP，還可以顯著降低成本、功耗和尺寸。其具體實(shí)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(guī)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(jīng)濟(jì)高效地滿足不斷提高的數(shù)據(jù)速率需求;能夠適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)還要支持多種空中接口混合使用 (MC-GSM+LTE)。除此之外，其應(yīng)用要求包括：支持CPRI/OBSAI接口標(biāo)準(zhǔn);性能可提高至491MHz;降低資本支出和運(yùn)營支出;降15%的系統(tǒng)成本;實(shí)現(xiàn)5個(gè)9的可用性(即99.999%的可用性)。

　　正因?yàn)樯鲜鲆蟮拇嬖?，所以就出現(xiàn)了一個(gè)問題：即要求現(xiàn)有的FPGA必須能夠擴(kuò)展，以滿足嚴(yán)格的成本、性能和功耗要求。此時(shí)，Xilinx Kintex-7系列FPGA應(yīng)運(yùn)而生，正好解決了這個(gè)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(yīng)用優(yōu)勢?？梢院敛豢鋸埖恼f，在采用Xilinx Kintex-7系列FPGA后，該方案的性價(jià)比提高3倍、功耗降低18%。

　　在系統(tǒng)性能方面，通過下表我們可以看得更清晰：

　　(3)有線通信架構(gòu)核心——Virtex-7系列FPGA

　　如今，在有線通信架構(gòu)中，已超過400萬個(gè)“智能”設(shè)備投入使用;并且視頻點(diǎn)播是無處不在的;此外因特網(wǎng)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(gòu)的構(gòu)建就有著永無止境的帶寬需求。在應(yīng)用方面的話，要求能滿足目前和未來的標(biāo)準(zhǔn)要求、能與眾多端點(diǎn)設(shè)備相連、還能在保持低功率和較小占位面積的同時(shí)將性能提高3倍，并且可支持“Interlaken”協(xié)議。

　　由于容量和連接性要求極高，所以有線通信架構(gòu)最常采用ASIC方案。采用ASIC方案的NPU或交換結(jié)構(gòu)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(xiàn)，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(jìn)行功率優(yōu)化的器件相比，可降低28%的功耗。因此，在有線通信架構(gòu)的構(gòu)建中，Virtex-7系列芯片應(yīng)用的也越來越多了。采用Virtex-7系列方案的NPU或交換結(jié)構(gòu)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(yōu)勢。
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　　除了能在上文提到的數(shù)碼單反相機(jī)、新一代無線多模式無線電、有線通信架構(gòu)中有廣泛應(yīng)用，全新Xilinx 7 系列FPGA芯片還能滿足便攜超聲波設(shè)備、大批量10G有線通信設(shè)備所需性能;能支持LTE無線網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)播系統(tǒng)的性能和帶寬;支持新一代有線接入設(shè)備和高級雷達(dá)系統(tǒng)和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等等。

　　理由4 電子發(fā)燒友網(wǎng)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(shù)就已經(jīng)呈現(xiàn)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(yīng)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(biāo)設(shè)計(jì)平臺則大幅度提高了生產(chǎn)率;并且越來越少的設(shè)計(jì)人員選擇使用ASSP;ASIC同樣也難逃厄運(yùn)?？傊?，其前景可謂是一片“光明”。

　　當(dāng)然，想要一直保持“光明”狀態(tài)，那Xilinx就得繼續(xù)做到與時(shí)俱進(jìn)、居安思危。在已有技術(shù)前提下，不斷創(chuàng)新，爭取做到以下五點(diǎn)：追求更高的系統(tǒng)性能;實(shí)現(xiàn)更高的性價(jià)比;爭取更大的容量;做到更低的功耗和更好的服務(wù)。如果能夠做到這些，將會(huì)有更多的工程師“戀”上Xilinx FPGA芯片!

　　相關(guān)芯片資料：

　　xilinx公司的7系列FPGA應(yīng)用指南

????????全新賽靈思（Xilinx）FPGA 7系列芯片精彩剖析（即本文的下載版）



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