Из малых деталей
складывается большое дело!

Статьи, Обзоры, Аналитика

ПЛИС Xilinx серии 7

В настоящее время компания Xilinx, занимающая чуть более половины рынка FPGA, предлагает микросхемы ПЛИС серии 7, выпускаемые с применением 28-нм норм технологического процесса.

ВВЕДЕНИЕ

Программируемые логические ин­тегральные схемы, появившиеся в се­редине 1980­х годов, в настоящее вре­мя сформировали области примене­ния с характерными подходами к проектированию и особенностями разрабатываемых устройств. Номен­клатура микросхем ПЛИС с наиболее развитой и популярной архитектурой FPGA, выпускаемых компаниями Xilinx и Altera, регулярно обновляется на базе актуального технологического про­цесса.

Программируемые микросхемы с архитектурой FPGA (Field Program­mable Gate Array, программируемые пользователем вентильные матрицы) содержат набор конфигурируемых блоков (логических ячеек), образован­ных базовыми компонентами цифро­вой логики – логическими элементами и триггерами. Отдельные ячейки со­единяются друг с другом с помощью программируемых трассировочных линий, как показано на рисунке 1.

На рисунке 1 видно, что две ячейки массива запрограммированы для вы­полнения определённой логической функции. Поскольку для реализации всей схемы одной ячейки оказалось недостаточно, её выход был подклю­чён ко входу другой ячейки, для чего были задействованы трассировочные линии FPGA. Чтобы реализовать такую схему, необходимо задать режимы ра­боты отдельных компонентов внутри ячеек, а также активировать цифровые ключи, соединяющие отдельные сег­менты трассировочных линий. На­стройки компонентов и информация о включенных и выключенных комму­таторах хранится в специальной па­мяти внутри FPGA. Эта память выпол­нена по технологии SRAM, поэтому имеет неограниченное число циклов перезаписи, но теряет информацию при отключении питания. Поэтому микросхему FPGA необходимо запро­граммировать при включении – пере­дать через специальный интерфейс со­держимое файла конфигурации.

На практике программирование яче­ек и формирование трассировочных линий выполняется с помощью САПР. Структура файла конфигурации явля­ется строго конфиденциальной ин­формацией, и формирование такого файла может быть выполнено только с помощью программных средств про­изводителя ПЛИС.

Проектирование на микросхемах FPGA имеет некоторые особенности. Во­первых, эти ПЛИС подразумевают неоднородность схемы. Это означает, что сложные схемы с неравномерным использованием компонентов необхо­димо приводить к базовым логическим ячейкам, причём весьма вероятно, что какие­то возможности ячеек останут­ся незадействованными. Во­вторых, программируемые трассировочные линии имеют бо0льшую задержку рас­пространения сигнала по сравнению с металлическими соединениями инте­гральных микросхем. Поэтому рабо­чие частоты ПЛИС меньше, чем часто­ты стандартных цифровых микросхем.

Таким образом, проекты на базе ПЛИС оказываются дороже и медлен­нее решений на базе стандартных (Standard Product) или специализи­рованных микросхем (ASIC, ASSP). Тем не менее, в процессе развития цифро­вой микроэлектроники производство ПЛИС демонстрировало устойчивый рост. Это связано с тем, что стоимость подготовки производства интеграль­ных схем постоянно возрастает и, на­пример, для 32­нм технологического процесса может достигать 200 млн долл. США (по данным 2012 г.). Поэто­му разработка специализированной микросхемы оказывается экономичес­ки целесообразной только для массо­вого производства, а ПЛИС являются подходящей элементной базой для цифровых устройств с уникальной архитектурой, выпускаемых неболь­шими партиями.

Другими преимуществами ПЛИС яв­ляются возможность реализации па­раллельных вычислительных структур и достижение высокой степени инте­грации компонентов на основе не­больших блоков, реализующих прос­тые операции. ПЛИС с архитектурой FPGA традиционно используются в за­дачах цифровой обработки сигналов, поскольку обеспечивают очень высо­кие показатели производительности (до 5,8 TMAC/с). Другим крупным по­требителем FPGA являются коммуни­кационные устройства, прежде всего, магистральное оборудование провод­ной связи.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛИС СЕРИИ 7

Компания Xilinx с 1985 г. выпускает ПЛИС, представляющие основные ар­хитектуры – CPLD (Complex Program­mable Logic Device, сложная програм­мируемая логическая схема) и FPGA. С развитием полупроводниковой тех­нологии микросхемы с архитектурой FPGA совершенствовались более ак­тивно, так как возможности их масш­табирования позволяют создавать кристаллы с миллионами логических ячеек. В настоящее время именно FPGA являются наиболее универсальными и мощными программируемыми мик­росхемами, позволяющими реализо­вать широкий спектр цифровых уст­ройств. Микросхемы CPLD в основном используются для замены дискретных цифровых компонентов.

Компания Xilinx, как и большинст­во разработчиков ПЛИС, не имеет собственного производства, а заказы­вает изготовление микросхем на сто­роне. Соответственно, по мере освое­ния новых технологических процессов мировыми производителями, Xilinx вы­пускает новое поколение ПЛИС.

В конце 1990­х годов основной ли­нейкой FPGA компании Xilinx была серия XC4000 (семейства XC4000E, XC4000XL и XC4000XLA). Архитектура XC4000 оказалась довольно удачной, однако в ряде проектов возможности стандартной логической ячейки ПЛИС использовались далеко не полностью. Возникла естественная альтернатива: дорогие устройства с максимальной производительностью и полным набо­ром функциональных возможностей и дешёвые ПЛИС, обеспечивающие ба­зовые функции, достаточные для боль­шинства типовых проектов. В резуль­тате в номенклатуре изделий компа­нии Xilinx появились различные серии FPGA, соответствующие этим направ­лениям. Стандартное недорогое реше­ние предоставляла серия Spartan, на смену которой пришли серии Artix (минимальная стоимость) и Kintex (умеренная стоимость при высокой производительности в задачах ЦОС). Наилучшие технические характерис­тики обеспечивала серия Virtex. На данный момент компания предлагает семейства ПЛИС серии 7 – Artix­7, Kin­tex­7 и Virtex­7. На рисунке 2 представ­лено соответствие поколений микро­схем FPGA компании Xilinx техноло­гическим процессам.

Отдельной разновидностью микро­схем ПЛИС, анонсированных в 2011 г., являются микросхемы класса All Pro­grammable SoC (полностью програм­мируемые системы на кристалле). На­чиная с семейства Zynq­7000, они со­держат процессорное ядро ARM и матрицу программируемых логичес­ких ячеек, аналогичных используемым в семействах

Рис. 2. Диаграмма соответствия поколений микросхем FPGA компании Xilinx технологическим процессам

Характеристики современных мик­росхем FPGA в большой степени опре­деляются дополнительными аппарат­ными блоками. Довольно часто блоки памяти и аппаратные умножители неэффективны при их реализации с помощью стандартных ячеек, а вы­сокоскоростные приёмопередатчики просто нереализуемы. Поэтому на кристаллах FPGA серии 7 в большом количестве размещены специализиро­ванные аппаратные блоки, в их числе:

  • блочная память BRAM в виде блоков по 36 Кбит;
  • секции ЦОС (DSP48E1) – блоки МАСС, выполняющие умножение 18­ и 25­битного операнда с накоплением ре­зультата в 48­битном аккумуляторе;
  • высокоскоростные последователь­ные приёмопередатчики;
  • контроллеры шины PCI Express;
  • блоки XADC (сдвоенные 12­разряд­ные АЦП). В таблице 1 приведены сводные ха­рактеристики трёх новых семейств. Семейство Zynq 7000 состоит из четы­рёх микросхем, имеющих процессор­ную подсистему на основе двухъядер­ного процессора ARM. Основные ха­рактеристики ядра ARM в составе Zynq­7000:
  • сдвоенное ядро Cortex­A9 с тактовой частотой 667/773/800/1000 МГц (в зависимости от группы);
  • расширения ядра NEON с плаваю­щей точкой одинарной и двойной точности;
  • кэш­память первого уровня включа­ет 32 Кб инструкций и 32 Кб данных на каждое ядро;
  • разделяемая кэш­память второго уровня 512 Кб;
  • поддержка внешней памяти DDR2, DDR3 и LPDDR2;
  • 8 каналов ПДП;
  • по два порта USB 2.0 (OTG) и трёх­режимного (10/100/1000) Etnernet c ПДП;
  • по два порта SD/SDIO с ПДП, UART, CAN 2.0B, I2C и SPI;

     

  • 32­битный порт GPIO;
  • шифрование AES и SHA (до 256 бит);
  • 54 мультиплексируемых линий па­мяти и ввода­вывода;
  • интерфейсы к программируемым ресурсам: два 32­битных AXI Mas­ter, два 32­битных AXI Slave, четыре 64/32­битных AXI 64/32, 64­битный AXI ACP;
  • 16 линий прерываний.

Характеристики программируемой логики ПЛИС Zynq 7000 приведены в таблице 2. Микросхемы Zynq­7010 и Zynq­7020 выполнены на базе програм­мируемых ресурсов семейства Artix, а Zynq­7030 и Zynq­7045 – на базе Kin­tex. Это отражается на пиковой произ­водительности подсистемы цифровой обработки сигналов – в младших ПЛИС тактовая частота блока ниже. Кроме то­го, в Zynq­7030 и Zynq­7045 отсутству­ют блоки PCI Express и высокоскорост­ные приёмопередатчики.

Несмотря на схожесть языков опи­сания аппаратуры и языков програм­мирования, разработка систем на базе FPGA существенно отличается от про­ектирования программных продуктов и по сути является сферой деятельнос­ти специалистов в области проектиро­вания цифровой электроники. Кроме того, не следует рассматривать микро­схемы FPGA как стандартные наборы однотипных базовых компонентов, поскольку характеристики современ­ных FPGA во многом определяются ап­паратными ядрами. На рисунке 3 пока­зана структура блока DSP48E1A, разме­щённого в FPGA серии 7.

Таблица 1. Сводные характеристики семейств микросхем FPGA серии 7 компании Xilinx

Параметр/максимальное значение Artix-7 Kintex-7 Virtex-7
Количество логических ячеек, тыс. шт. 215 480 1955
Объём блочной памяти, Мб 13 34 65
Количество секций ЦОС 740 1920 3600
Пиковая производительность цифровой обработки сигналов для фильтров с симметричными коэффициентами, GMAC/c 930 2845 5335
Количество приёмопередатчиков 16 32 96
Скорость передачи, Гб/с 6,6 12,5 28,05
Пиковая пропускная способность приёмопередатчиков, Гб/с 211 800 2784
Количество интерфейсов PCI Express Gen2×4 Gen2×8 Gen3×8
Скорость обмена по интерфейсам памяти, Мб/c 1066 2133 2133
Число внешних выходов 500 500 1200

В этом блоке имеется не только аппа­ратный умножитель, но и 48­разрядный аккумулятор с функциями АЛУ, набор регистров и мультиплексоров и специ­альный модуль «предварительный сум­матор». Дополнительные компоненты упрощают построение многих узлов цифровой обработки сигналов, таких как КИХ­ и БИХ­фильтры, ядра БПФ, модули работы с комплексной арифме­тикой и т.д. Предварительный сумма­тор позволяет обрабатывать в одном DSP48E1A два отвода КИХ­фильтра с симметричными коэффициентами. Та­ким образом, разработка эффективных систем цифровой обработки сигналов в определённой степени зависит от квалификации инженера, который дол­жен не только представлять аппаратные возможности применяемой элемент­ной базы, но и в полной мере владеть средствами проектирования ПЛИС.

Таблица 2. Состав семейства Zynq-7000

Плис Z-7010 Z-7020 Z-7030 Z-7045
Количество программируемых логических ячеек (вентилей ASIC) 28К (430К) 85К (1,3М) 125К (1,9М) 350К (3,5М)
Количество блоков памяти (по 36Кб) 60 140 265 545
Количество секций ЦОС (18х25 МАСС) 80 220 400 900
Пиковая производительность ЦОС для КИХ с симметричными отводами, GMAC/c 100 276 593 1334
Количество блоков PCI Express Gen2x4 Gen2x8
АЦП 2х12 бит, 1 Мвыборок/с, 17 дифф. выходов
Шифрование AES и SHA, 250бит      
Количество блоков ввода-вывода 3,3/1,8В 100/- 195/- 100/150 200/150
Количество высокоскоростных приёмопередатчиков 4 12

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

В настоящее время микросхемы FPGA применяются в ряде областей, в каждой из которых востребован определённый набор их свойств:
  • Проводные коммуникации. Традиционным заказчиком FPGA Xilinx является компания Cisco. По данным за 2011 г., примерно 50% продукции Xilinx (в стоимостном выражении) было приобретено именно Cisco. Ключевой особенностью FPGA серии 7, привлекательной для построения проводных коммуникаций, являются аппаратные высокоскоростные приёмопередатчики (до 96 в Virtex7) с суммарной пропускной способностью до 2,7 Тбайт/с. Это позволяет обеспечить очень высокую плотность компоновки микросхем для магистрального оборудования волоконнооптической связи следующего поколения;
  • Беспроводные коммуникации. Большое число блоков DSP48 позволяет реализовывать базовые станции «программного» радио (SoftwareDefined Radio). Возможность перепрограммирования FPGA делает возможной смену конфигурации цифровой части системы в процессе эксплуатации, с реализацией новых протоколов передачи без замены аппаратной части. Микросхемы FPGA достаточно дороги для абонентского оборудования беспроводных сетей, однако получают всё большее распространение в качестве аппаратной платформы базовых станций. Например, существует однокристальное решение для базовой станции LTE на основе ПЛИС Virtex6;
  • Автомобильная электроника. В автомобильных системах микросхемы FPGA используются в основном в качестве многоканальных устройств мультимедиа, а также в системах класса Driver Assistant, которые не призваны заменить водителя, однако за счёт анализа изображения с внешних видеокамер в реальном времени способны обнаруживать и распознавать дорожные знаки, быстро приближающиеся объекты, препятствия и т.п. Для таких задач требуется большая производительность подсистемы цифровой обработки сигналов, которая обеспечивается независимыми блоками DSP48;
  • ISM (Industrial/Scientific/Medical) – системы обработки данных и управления в промышленности, науке и медицине, для которых нехарактерна оптимизация электронного оборудования по стоимости. Небольшие партии изделий и изменяющиеся требования в процессе разработки делают предпочтительным применение элементной базы, которая обеспечивает запас ресурсов, продлевающих жизненный цикл изделия. Здесь стоимость прочего оборудования может существенно превышать стоимость ПЛИС, и естественным стремлением разработчика является применение наиболее мощной аппаратной платформы из доступных;
  • Потребительская электроника. Несмотря на достаточно высокую степень унификации задач, решаемых в потребительской электронике, и большие тиражи изделий (что даёт возможность использовать более дешёвые ASIC/ASSP), ПЛИС находят применение в устройствах класса hiend, например в профессиональных видеокамерах, плоскопанельных дисплеях и устройствах видеонаблюдения. Кроме высокой производительности подсистемы цифровой обработки данных, микросхемы FPGA обеспечивают минимизацию габаритов устройства за счёт высокой степени интеграции компонентов электронной системы. Кроме обработки видео, на кристалле FPGA размещают высокоскоростные интерфейсы на базе приёмопередатчиков (HDMI, Display Link, Ethernet, FireWire и пр.), для чего в противном случае потребовались бы отдельные микросхемы. Такие системы часто работают под управлением софтпроцессора (т.е. процессора, создаваемого путём конфигурирования части ПЛИС) MicroBlaze, возможностей которого достаточно для интеграции компонентов и обеспечения взаимодействия с пользователем. Выпуск All Programmable SOC Zynq7000 с аппаратным двухъядерным ARM CortexA9 открывает новые возможности построения устройств потребительской электроники, поскольку конфигурируемая часть таких микросхем может быть использована в качестве аппаратного ускорителя для широко распространённого и известного потребителям ARM;
  • Суперкомпьютеры и центры обработки данных. Использование FPGA высокой степени интеграции в качестве аппаратной платформы суперкомпьютеров имеет большое преимущество в части достижения очень высоких показателей производительности в пределах одного кристалла, однако существенным препятствием на пути широкого использования такого подхода является высокий порог вхождения в технологию. Суперкомпьютер на базе FPGA не может быть запрограммирован подобно системам на базе x86/64, поскольку его возможности в полной мере раскрываются при создании специализированных вычислительных узлов с применением языков описания аппаратуры;
  • Прототипирование микросхем. Разработка прототипов СБИС является традиционным применением FPGA. Для FPGA высокой степени интеграции последних поколений часто приводятся эквивалентные ёмкости в «ASICвентилях» (плотность компоновки проекта на базе FPGA обычно меньше за счёт того, что не все элементы программируемых ячеек задействованы в конечном продукте).

Микросхемы FPGA серии 7 компании Xilinx поддерживают тенденции постоянного увеличения логической ёмкости микросхем, повышения общей производительности, степени интеграции и расширения функциональных возможностей. Гибкость этой элементной базы представляет определённый интерес при разработке сложной, наукоёмкой продукции, обеспечивая программные и аппаратные решения при умеренных материальных затратах. Однако эффективная разработка на базе ПЛИС возможна только при высокой квалификации специалистов.

Источник: http://WWW.SOEL.RU

Создание сайта
Веб-студия ITSoft
Тел./факс (многокан):+7(495) 280-12-30
Оптовая поставка
электронных компонентов