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FPGA在消费电子领域的应用及发展趋势

http://www.ec.hc360.com2020年06月15日11:30 来源:电子发烧友T|T

    FPGA——这个从陌生到熟悉、从高  贵到平凡、从神秘到充满吸引力……电子应用工程师和设计者们开始思考将FPGA应用到各个领域,大规模、集成高速收发器的SRAM架构FPGA在通信领域担负了不可替代的作用,而反熔丝架构的FPGA则是军事和航空航天领域的首  选,Flash架构的FPGA则具有像CPLD一样的特点,单芯片即可以让设计者避免配置芯片的诸多考虑,但拥有FPGA优于CPLD的一切特性……对,开场白不要太多,这是给熟悉FPGA这个东西的内行人看的文章,那么我的观点可以开门见山,在现代基于FPGA的设计更多考虑的是两个字:特性。FPGA的功能设计相对固定,可能是某一项,但特性决定您所选的器件是否可以应用到一个行业!

    那么回过头来,考量消费领域的需求是什么,快速的原型开发、紧缩的上市周期、稳定可靠的功能设计、灵活多变的功能需求甚至强调低碳的功耗分析等,与FPGA早已经大规模占领的通信、军事、工业等领域相比,FPGA进入消费领域似乎还是近期的事情,而谈到所需的功能,如果FPGA都可以用来控制火箭和卫星,那您还怀疑FPGA是否可以实现一台电冰箱的温度闭环监控?如果FPGA在通信服务器上面对于光纤通信都应付自如,那您还怀疑它不可以来做一部手机的基带调制?但是没有人或用火箭上面的FPGA来造冰箱,也不会在手机里面选择通信服务器上面的FPGA型号,很显然,讲到消费品要求的功能应该是很简单的,比如接口的扩展、电平标准的转换、逻辑器件的替代等,其次更重要的是特性的评估,小规模器件的逻辑资源也许完全可以实现手机主板的多个电平标准的转换,但是您要考虑的是功耗、占位面积、成本、软错误率等诸多因素,这是真正限制您所选择的器件是否可以做进低功耗手持设备的基本特性要求。

    ACTEL公司近期利用其独具优势的IGLOO低功耗产品诞生了几个消费设计,足以启发设计者的大胆思路并证明FPGA已经开始将触角伸向巨大的消费领域。当手机维修工人在头疼客户要求更换一款早已停产的手机屏幕的时候,他以为别无选择,但是拥有ACTEL小尺寸低功耗的IGLOO器件,是的3mm*3mm的器件可以贴在手机的主板与屏幕之间的排线上面,经过FPGA接口转换的TFT时序竟然让他摆脱了原配手机屏幕的限制,现在他可以换一个任何接口标准的屏幕了;另外一个很有创意的产品来自于韩国三星,一款带有前后双屏幕的数码相机满足了喜好自拍的朋友们,相信很多人都已经不再怀疑三星的消费品引领潮流的能力,三星在产品设计中大胆引入FPGA的应用也引领了一股技术潮流,这个将背后大屏影像缩放至前面的小屏幕上面的功能是由ACTEL的一款IGLOO低功耗器件完成的,不仅仅如此,您很可以做图像的反转等操作,而这一切仅仅耗费电池微安级的电流,甚至在您需要待机时IGLOO可以进入极低的0.2微瓦的FlashFreez休眠模式,而它与动态状态切换仅仅需要您1uS的时间,不会错过您的精彩瞬间,不是吗?

    消费领域的趋势就是不断的迅速扩展,在这个领域生存的设计者拼的不仅仅是创意,而且还有速度,反观半导体的厂商们也势必将消费品作为必争之地,然而正如上文所述,消费产品设计的特点是不得不考虑的重要因素,首先将面临如何快速设计验证的问题,在设计一个独一  无二的功能创意的时候,FPGA也许是好的选择;在找不到一颗通用的全能芯片的时候,FPGA也许是好的选择……然而,很多情况,一旦产品化随着用量的不断增长使得定制ASIC的方式成为可能,那么设计者在综合评估之后就有可能开始考虑在FPGA生产烧录、测试过程中的连续成本与一次性流片的成本之间做出权衡,ASIC的诞生其实就是这样的一个过程,然而ASIC的诞生也就意味着FPGA的被替代,这使得FPGA在消费领域一定程度上成为一个过渡的设计方案。

    然而,FPGA的厂商不会袖手旁观,事实上FPGA在ASIC的设计过程中本身也是起着原型验证的作用。先做出反应的是ACTEL公司,他的反熔丝或Flash架构FPGA得益于掉电非易失的浮栅门结构使得FPGA去掉配置过程、加载过程从而可以实现真正的单芯片,ACTEL公司具备了可以提供裸片的能力,并配套所有的设计资料及参数,甚至提供出厂的程序烧写、晶圆测试等服务。在ACTEL的设计加密文件授权技术的支持下,客户不必担心知识产权的泄露,而相对于原本长达数月的全定制的棍型图ASIC流程,有了ACTEL提供的DIELOT(裸片)产品,客户可以轻易将原型的设计转化成产品并通过极少的Bonding费用定制自己的ASIC。ACTEL在全球亦有诸多基于DIELOT设计的案例。而ACTEL即将有计划进一步改进加工工艺、以提高速度、运算方面的性能,进一步降低能耗,同时完善ACTEL的裸片供应设计服务,ACTEL以PowerMatters作为产品规划的主线,已经瞄准了消费品的广大领域。

    ACTEL日前刚刚发布的一款面向SOC设计的产品——SmartFusion吸引了诸多设计者的关注,将一直讨论的FPGA集成度应用问题推进更高的台阶。在电子设计中有所谓“三足鼎立”的情况,即MCU的主控功能、FPGA的快速监控和通道、DSP的数据运算能力。这“三足”形成了一套系统在目前的阶段是比较普遍的,然而随着电子技术的不断进步,摩尔定律预言了甚大规模集成电路的辉煌前景,这时SOC的概念被提出了,即在一个芯片上面实现一整套的系统,长远来看,这是集成电路设计的必然趋势。归根到底,一切数字电路都是由MOS管来构成的,只要规模足够大,MOS管的特种排列连接即诞生特定的功能,对于现阶段的工艺水平,FPGA内嵌MCU或者DSP单元早期以软核为主,如Altera的NIOS、FFTIP,ACTEL的Cortex-M1、FIRIP等,后来工艺的进步使得芯片设计师在FPGA内部直接集成硬核的MCU或DSP,如ACTEL的Cortex-M3等,可见,传统的多个分离器件现在已经为SOC所替代,并可以预见,更多的器件将可以被高度集成。

    SOC的优势显而易见,以具代表性的SmartFusion为例,ACTEL公司选择与ARM公司的Cortex-M3内核——这是一款通用内核,并为大多数设计者所熟悉和使用,平台的应用将不会有障碍,与此同时,FPGA与ARM利用半导体工艺内部互联,通过总带宽16Gbps的AHB总线挂接,设计人员不再担心这部分电路的信号完整性问题,也不必再担心PCB的走线布线问题等。然而,SmartFusion做到的还不止这些,包括Cortex-M3的以太网、SPI、UART、IIC、EMC等外设也是ACTEL公司精心配备的,而调试环境都可以方便的集成在ACTEL的IDE中,使用ACTEL的Flashpro4下载器即可同时调试FPGA和ARM内核,客户可以像使用通用ARM那样灵活调用而不占用FPGA的任何逻辑资源。当然,更重要的,SmartFusion甚至集成了可编程模拟部分包括ADC以及DAC、内部高速比较器等,真正的为引领“模数混合”的融合系统提供典范。SmartFusion已经成功应用于多个领域,如PPS公司的ATCA及xTCA先进的电信运算架构中,承担系统的管理与多路信号监测功能。

    所以,不可否认,FPGA将成为电子产业中迅速发展的产业,从设计FPGA的角度,属于集成电路设计的范畴,从应用角度,FPGA将逐步成为数字电路设计中的主体。

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