FPGA器件发展综述

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1、FPGA器件发展综述1引言2005年是FPGA（现场可编程门阵列，FieldPro-grammableGateArray）发明20周年，2007年是晶体管发明60周年，2008年是集成电路平面工艺发明50周年,在这几十年，尤其是FPGA发明的二十几年内，集成电路产业得到了快速的发展，2006年，Xilinx和Alter公司采用65nm技术分别推出了最先进的FPGA系列——Virtex-5系列和Stratix-3系列；在2006,年国际电子器件会议（IEDM）上，三星公司的32Gbit新型NAND型闪存亮相，公布其采用了40nm

2、技术，计划在2008年量产的32GbitNAND型闪存，集成度已超过300亿。最近几年，微处理器完成了从单核到多核的提升，2006年11月14日,英特尔先于AMD发布了酷睿2四核处理器，称性能较双核提高了80%。2006年11月17日,AMD对外发布了四核处理器架构，称总体功耗较英特尔处理器低80%。本文主要阐述FPGA的发展现状,并对未来的发展趋势进行分析。2FPGA的发展概要自20世纪70年代以来，可编程逻辑器件(PLD，ProgrammableLogicDevice)作为一种通用型器件迅速发展起来，改变了采用固定功能器件

3、、自下而上的传统数字系统设计方法。使用可编程逻辑器件，用户可通过编程的方式实现所需逻辑功能，而不必依赖由芯片制造商设计和制造的ASIC芯片。从PLD的发展历程来看，按照结构区分，前后共有4种可编程逻辑器件类型：PLA、PAL、CPLD和FPGA。PLA(ProgrammableLogicArrays)同时具有可编程的“与逻辑”和“或逻辑”阵列结构，采用反熔丝编程方式，集成密度较低，只能完成相对简单的组合逻辑功能，进行一次性编程。为实现时序逻辑，MMI公司开发出PAL(ProgrammableArrayLogic)：PAL具有可

4、编程的“与逻辑”阵列和固定的或门，具有D触发器和反馈功能，能够实现时序电路，但同样采用反熔丝编程方式，也是一种低密度、一次性编程的逻辑器件。由于整体架构的原因，若将PAL的规模和密度进一步提高，就需要增加“与逻辑”阵列的规模和更多的I/O端口，由此会带来版图面积指数增长。可行的方法是将更多的PAL集成在一起，于是便出现了CPLD器件(ComplexProgrammableLogicDevice)。早期CPLD大都采用EPROM、Flash(闪存式存储器）或E2PROM（电擦除可编程只读存储器)的可编程技术，后期基于SRAM(静

5、态随机存储器)[13]可编程技术的发展使CPLD器件的密度得到了提高，可实现复杂的组合和时序逻辑。由于继承了PAL的架构体系，CPLD器件规模与密度很难随着半导体工艺技术的发展而进一步提高，需要寻求截然不同的设计方法。基于SRAM可编程技术的FPGA概念最初由Wahlstrom于1967年提出，与PAL器件的“与或”逻辑阵列结构不同，FPGA是由许多独立的可编程逻辑模块组成，逻辑模块之间的连接通过可编程开关实现。这种体系结构具有逻辑单元灵活、集成度高、适用范围广等优点。为充分利用连线资源，通常FPGA具有多种长度的连线单元，电

6、路的延时特性具有多种可能。基于SRAM控制的可编程开关结构使可编程器件具有最大的配置灵活性，但是与ROM相比，需要耗费较大的版图面积来实现可编程开关，因此直到1984年，随着亚微米CMOS要艺的出现，Xilinx公司才推出第一片基于SRAM编程技术的FPGA。FPGA既具有门阵列器件的高集成度和通用性，又具有用户可编程的灵活性，在规模和密度上的发展并不受到整体架构的限制，同时FPGA还具有功能强大的EDA软件的支持，在随后的20多年中得到了飞速发展。3Xilinx公司FPGA主要产品系列3.1发展历程表1给出了XilinxCP

7、LD/FPGAs产品的发展历程。3.2XC3000系列XC3000系列FPGA是Xilinx公司最早提出的FPGA系列，可用最大门不到10000门，主要产品见表2。3.3XC4000系列1997年，Xilinx推出了当时业内最大的FPGAXC4085XL，用0.35μm工艺制造，可用门85000逻辑门，XC4085XL的工作电压为3.3V，比同级产品省电一半，完全符合PCI及Select-RAM功能，可提供更佳的存储器功能、沿边触发编写及双端口工作特性。因为应用了分段路由架构，缩短了互连线长度，比使用长线作互连线的非分段架构消

8、耗较少电流，但更有效。3．4Virtex系列1998年，Xilinx推出Virtex结构，Virtex结构是XC4000系列现场可编程门阵列（FPGA）结构和5层金属、0.25μm工艺技术结合的产物。新的Virtex系列FPGA的密度可达5万门至100万门，时钟频率高达100