|
作者：愛特公司亞太區高級工程師及處理器專家溫仲堯 日期：2009-9 摘要 盡管相較于傳統的ASIC和ASSP方案，FPGA具備可編程與快速上市的優點，但是傳統SRAM-based FPGA技術卻由于占位空間大與功耗高等缺點，使其無法在大批量的消費性市場，甚至便攜產品中，得到廣泛的采用。面對此一問題，flash-based FPGA技術提供了最佳的解決方式。本文將從功耗、大小、供貨時間、價格等各層面，介紹Actel的nano FPGA技術所具備的優勢。此外，亦會說明，以此技術為基礎的FPGA所具備的獨特Flash*Freeze技術，以及其他包括單芯片、通電即用、安全性等各項特性。這些優勢都將使FPGA也成為大量消費性市場的理想選擇，例如LCD控制、儲存、以及人機界面等。 前言 傳統上，大批量消費性電子產品都是采用特定應用標準產品(ASSP)或特定應用集成電路(ASIC)來進行設計。這兩種設計技術的優點包括擁有固定的功能性，并可針對特定應用進行優化設計。然而，在競爭激烈、變化快速的市場中，此兩種技術卻有非常難以克服的缺點。 首先，由于電子產品的生命周期越來越短，昂貴的NRE費用不一定能夠回收。同時，許多系統需要在日后進行升級或改版，但傳統定制的集成電路不能因應這樣的需求。因此，制造商必須重新思索采用不同的設計方式，不只是著眼于產品設計，而是要符合整個產品生命周期的需求。 要在現今高度競爭的大批量市場中勝出，制造商必須能夠快速響應市場需求。為了縮短產品上市時程，設計團隊需要更有效率的設計方式，以滿足快速設計、建立原型、縮短組件供貨時間、以及未來可輕松進行升級的多重目標。 在這樣的需求下，可編程邏輯數組(FPGA)便成為一個可行的選項。FPGA的歷史可回溯至80年代，然而一直到近來受惠于設計與工藝技術的進步，FPGA才開始有應用到大批量消費性市場的可能。 一般來說，FPGA具備可程序與快速上市的優點，設計人員僅需要對其內建的邏輯數組進行編程，就可得到所需的功能特性，而不需要像開發一顆ASIC 一樣，需要長時間的電路設計。而且當內建FPGA的產品已經上市后，仍擁有修改更新功能的彈性，不像ASIC一樣，因為功能已經固定，不能再進行變更。但是，FPGA還是一些缺點。尤其是，目前市場上大部分的FPGA都是采用SRAM-based技術，這使其有占位空間大與功耗高等缺點，因此傳統FPGA 無法在大批量的消費性市場，甚至便攜式產品中，得到廣泛的采用。但是Actel以閃存為基礎的flash-based技術，卻完全不同！ Actel的nano FPGA技術 Actel致力于開發高功能性、低功耗的flash-based FPGA技術，并在以下5個領域都獲得了顯著的提升：功耗、尺寸、供貨周期、溫度、與價格。 Actel 的nano FPGA組件包括IGLOO nano和ProASIC3 nano兩個產品線，擁有與ASIC相近的功耗水平，它的開啟電流突波非常低，而且在移轉(transition)過程中也沒有高電流產生，這都是傳統 SRAM-based FPGA組件常有的現象。 以圖1來看，具1萬個系統閘的IGLOO nano FPGA，其功耗僅有2μW，較其他FPGA產品功耗低15～25倍。這些組件支持1.2V～1.5V核心電壓與I/O操作，以及超低電壓的Flash*Frezze模式。 
圖1：Actel的IGLOO nano FPGA功耗較其他產品低15~25倍 此外，IGLOO nano FPGA的大小只有3x3mm，是目前市場上封裝尺寸最小的可程序邏輯組件，再配合其低功耗特性，非常適合用在對功耗敏感、且空間位置有限的便攜式裝置中。 而在供貨時間方面，Actel可針對所有密度的組件提供0周的供貨時間，這對大量應用來說是非常重要的。至于操作溫度，Actel延伸了IGLOO nano FPGA的操作溫度至-20℃～+70℃，因為現在許多便攜式應用都必須曾在攝氏零下的環境下操作。此外，nanoFPGA亦擁有價格優勢，50多款組件的價格都低于1美元，而ProASIC3 nano的價格低至0.49美元。 Flash-based FPGA技術優勢 利用先進flash-based、130nm LVCMOS工藝技術，Actel的flash-based FPGA擁有非揮發性、可重復編程(reprogrammability)等許多優點。 FlashxFreeze技術 FlashxFreeze 是IGLOO FPGA所提供的獨特技術，它可以讓組件進入和退出超低電壓的FlashxFreeze模式。無需外部組件，就可以關閉I/O或頻率，并同時還能保留設計信息、SRAM、以及緩存器內容。與SRAM-based FPGA不同，IGLOO組件內部可保留立即恢復運作(1μs內)所需的所有信息。其I/O單元可以個別設定為保留先前的狀態，或是其他模式。 FlashxFreeze技術可與系統內的可編程性結合，讓設計人員能夠在制造的最后階段或甚至出貨后，快速且輕松地進行升級。 使用者設定非揮發性FlashROM IGLOO組件內建有1kb的非揮發性FlashROM。此核心可被單獨編程(擦除或寫入)，而片上 AES解密功能可被用來保護數據在公共網絡上的安全性。FlashROM可透過JTAG接口進行編程，而其內容能以相同的接口或利用直接FPGA核心尋址來讀取。FlashROM僅可透過JTAG接口來編程，不可從內部的邏輯數組。 單芯片 Flashed-based FPGA可在芯片上的閃存單元中儲存配置數據。一旦編程之后，此配置數據便成為此FPGA架構的一部分，與一般的SRAM-based FPGA不同，它在系統開啟時，不需要再加載外部配置數據。所以，采用Flashed-based FPGA進行設計，就不需要額外的系統配置組件，例如以EEPROM或微控制器來加載裝置配置數據，因此可以得到更簡單的材料清單(BOM)、較小的 PCB占位面積、更高的安全性、以及更佳的系統可靠性等優點。 通電即用(live at power-up；LAPU) Actel的Flashed-based FPGA支持LAPU(live at power-up，通電即用)的第零級(Level 0)標準。此特性能夠在喚醒處理器、設定與配置內存區塊、產生頻率、與總線活動管理前，便進行系統組件初始化并執行重要任務。 LAPU 特性通常能簡化整體系統設計，并同時降低系統成本。此外，系統電源的突然故障也不會毀損組件的閃存配置，而且與SRAM-based FPGA不同，當電源恢復時，此組件不需重載。因此，設計人員能透過免除配置PROM、監控電壓、與產生頻率的需求，來簡化其PCB設計。 安全性 由于Flashed-based FPGA是非揮發性的，不需要采用啟動PROM，也就降低了重要數據被復制的風險。IGLOO采用了FlashLock技術，無需任何外部組件，就可以提供獨特的可重復編程性(reprogrammability)和設計安全性，這是只有具備非揮發性閃存的FPGA所具備的優勢。 Actel的組件利用128位的flash-based FlashLock以及一單獨的AES密鑰來保護重要IP與配置數據。此外，FPGA配置和FlashROM數據能夠在加載前，利用業界領先的AES- 128(FOPS192)位模塊密碼標準，先行加密。Actel FPGA有一內建的AES解密引擎和一個flash-based密鑰，是目前市面上能提供最完整安全方案的可程序邏輯組件。相較于ASIC，由于可利用逆向工程技術移除金屬層而泄漏出設計機密，Actel的flash-based FPGA擁有更高的安全性。 降低整體擁有成本 由于可減少使用的組件數量，以及提供遠程可服務特性，采用flash-based FPGA可取得更低的整體擁有成本。 與SRAM-based FPGA不同，Actel的flash-based FPGA允許所有功能在通電時立即啟用，不用額外的啟動PROM。內建的安全機制可保護所有的編程信息，并能夠以遠程方式，安全地為FPGA邏輯進行更新。設計人員能夠執行安全、遠程、系統內重復編程，來支持日后的設計以及現場更新。Actel的nano FPGA是一具備成本效益的替代方案，因此即使是大批量產品，也不需要移轉至改采ASIC設計。 應用實例 由于flash-based FPGA的技術優勢，已經使其成為大批量消費性市場的理想選擇，包括LCD控制應用、儲存應用、以及人機界面等。特別是在各項的便攜式產品中，LCD設計是其中非常重要的一環，而Actel的超低電壓flash-based FPGA非常適合用來建置多種客制化的LCD控制器，在此以LCD背光控制為例來說明。 LCD背光是便攜式應用中耗電最多的一部分，因此降低背光電源是延長電池壽命的重要關鍵。隨著LED背光日益普遍，IGLOO組件能夠扮演一個重要的控制角色。 LED驅動芯片中的電源管理(PWM)輸入訊號是用來執行亮度控制。設計人員可以在IGLOO組件中建置一個PWM模塊，如圖2所示。 除了PWM亮度控制，IGLOO組件的FlashxFreeze功能也可用來顯示LCD數據以及關閉LED背光。FlashxFreeze模式可讓 IGLOO組件進入操作電壓僅有2μW的低電壓狀態。當FlashxFreeze模式啟動時，所有的I/O都成為tristated，使此組件維持相同的狀態。一旦關閉FlashxFreeze模式，IGLOO組件會在1μs內，迅速跳回操作狀態。
圖2：IGLOO組件在LCD顯示器背光控制中的應用 結論 電子產品正朝便攜式與更高整合度的趨勢發展，此外，設計人員也面臨著更短上市時程的嚴峻設計挑戰。傳統的ASIC和ASSP的設計時間很長，而且不只初期設計的成本較高，一旦系統開始運作，日后的升級與更新也需要更多的成本與心力。 FPGA能針對這些問題，提供設計人員一個快速、彈性、與具成本效益的系統開發平臺。與傳統的客制化IC方式相較，采用FPGA，設計人員能以更短的時間、更低的成本進行設計。Actel的nano FPGA技術在功耗、尺寸、供貨時間、溫度、價格等各方面所具備的優勢，已使flash-based FPGA成為大批量、小尺寸、便攜式電子產品的理想方案，并可實現大批量電子裝置的有效設計、制造、與維護。Actel的nano FPGA確實能將FPGA帶到前所未有的應用領域中。 |
