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Cyclone III FPGA: 一個(gè)空前的功耗,功能和成本的完美結(jié)合 無限可能
您的設(shè)計(jì)構(gòu)思有極大的發(fā)展?jié)摿Α绻軌蛞院线m的價(jià)格迅速實(shí)施這些構(gòu)思。
您將發(fā)現(xiàn)Altera的第三代低成本FPGA —— Cyclone III 器件系列非常適合對(duì)成本敏感的大批量應(yīng)用,例如：
無線通信
視頻和圖像處理
顯示
汽車
軍事
Cyclone III FPGA前所未有地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本和高性能,大大提高了您的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
Cyclone III FPGA采用臺(tái)灣半導(dǎo)體生產(chǎn)公司(TSMC)的65-nm低功耗(LP)工藝技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn),以低于ASIC的價(jià)格 實(shí)現(xiàn)了低功耗。
Cyclone III 器件系列簡(jiǎn)介
低成本Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代產(chǎn)品。Cyclone III FPGA系列前所未有地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本和高性能,進(jìn)一步擴(kuò)展了FPGA在成本敏感大批量領(lǐng)域中的應(yīng)用。
采用臺(tái)灣半導(dǎo)體生產(chǎn)公司(TSMC)的65-nm低功耗(LP)工藝技術(shù),Cyclone III 器件對(duì)芯片和軟件采取了更多的優(yōu)化措施,在所有65-nm FPGA中是功耗最低的,在對(duì)成本和功耗敏感的大量應(yīng)用中,提供豐富的特性推動(dòng)寬帶并行處理的發(fā)展。
Cyclone III 系列包括8個(gè)型號(hào),容量在5K至120K邏輯單元(LE)之間,最多534個(gè)用戶I/O引腳。如表1所示,Cyclone III 器件具有4-Mbit嵌入式存儲(chǔ)器、288個(gè)嵌入式18x18乘法器、專用外部存儲(chǔ)器接口電路、鎖相環(huán)(PLL)以及高速差分I/O等。
Cyclone III 系列提供了大范圍的器件和封裝選項(xiàng),以便支持各種各樣對(duì)成本敏感和大容量的應(yīng)用.
表 1. Cyclone III FPGA 簡(jiǎn)介
器件
EP3C5 EP3C10 EP3C16 EP3C25 EP3C40 EP3C55 EP3C80 EP3C120
邏輯單元 5,136 10,320 15,408 24,624 39,600 55,856 81,264 119,088
M9K 嵌入式存儲(chǔ)器模塊 46 46 56 66 126 260 305 432
RAM 總?cè)萘?(Kbits) 424 424 516 608 1,161 2,396 2,811 3,981
嵌入式18x18乘法器 23 23 56 66 126 156 244 288
PLL 2 2 4 4 4 4 4 4
最大用戶I/O引腳數(shù)量 181 181 345 214 534 376 428 530
差分通道 70 70 140 83 227 163 181 233
供貨時(shí)間 2007年第三季度 2007年第三季度 2007年第四季度 現(xiàn)在 (ES) 2007年第三季度 2007年第四季度 2007年第四季度 2007年第四季度 2007年第二季度 (ES) 2007年第四季度
表1的注釋：
M9K 存儲(chǔ)器模塊支持每模塊 9,216 比特 ( 包括校驗(yàn)位 )
As shown in Table 2, the Cyclone III device family is available in eight different package options with support for low cost and small form factor packages.
表 2. Cyclone III 器件封裝和最大用戶 I/O 數(shù)量
器件/封裝 (mm x mm)
144 引腳 EQFP (22 x 22) 240 引腳 PQFP (32 x 32) 256 引腳 FBGA (17 x 17) 256 引腳 UBGA (14 x 14) 324 引腳 FBGA (19 x 19) 484 引腳 FBGA (23 x 23) 484 引腳 UBGA (19 x 19) 780 引腳 UBGA (29 x 29)
EP3C5 94 - 182 182 - - - -
EP3C10 94 - 182 182 - - - -
EP3C16 84 160 168 168 - 346 346 -
EP3C25 82 148 156 156 215 - - -
EP3C40 - 128 - - 195 331 331 535
EP3C55 - - - - - 327 327 377
EP3C80 - - - - - 295 295 429
EP3C120 - - - - - 283 - 531
表 2 的注釋：
深色表示縱向移植
EQFP =增強(qiáng)薄型四方扁平封裝
PQFP = 塑料四方扁平封裝
FBGA = 精細(xì)球柵陣列 (1.0 mm 間距)
UBGA = 超精細(xì)球柵陣列 (0.8 mm 間距)
F780封裝的EP3C40支持嚴(yán)格的縱向移植
表 3. Cyclone III 系列速率等級(jí)
器件 144 引腳 EQFP 240 引腳 PQFP 256 引腳 FBGA 256 引腳 UBGA 324 引腳 FBGA 484 引腳 FBGA 484 引腳 UBGA 780 引腳 FBGA
EP3C5 -7, -8 - -6, -7, -8 -6, -7, -8 - - - -
EP3C10 -7, -8 - -6, -7, -8 -6, -7, -8 - - - -
EP3C16 -7, -8 -8 -6, -7, -8 -6, -7, -8 - -6, -7, -8 -6, -7, -8 -
EP3C25 -7, -8 -8 -6, -7, -8 -6, -7, -8 -6, -7, -8 - - -
EP3C40 - -8 - - -6, -7, -8 -6, -7, -8 -6, -7, -8 -6, -7, -8
EP3C55 - - - - - -6, -7, -8 -6, -7, -8 -6, -7, -8
EP3C80 - - - - - -6, -7, -8 -6, -7, -8 -6, -7, -8
EP3C120 - - - - - -7, -8 - -7, -8
表3的注釋：
Cyclone III 器件可提供三種速率等級(jí),-6 最快。
對(duì)于Cyclone III 器件,Altera的方針是核fMAX 的變化在每個(gè)速率等級(jí)中是15%到20%
Cyclone III器件系列體系結(jié)構(gòu)
Cyclone III系列65-nm FPGA前所未有地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本和高性能。其體系結(jié)構(gòu)包括高達(dá)120K的垂直排列邏輯單元(LE)、以9-Kbit (M9K)模塊構(gòu)成的4Mbits嵌入式存儲(chǔ)器、嵌入式乘法器以及被I/O單元(IOE)圍繞的鎖相環(huán),如圖1所示。高效互聯(lián)和低斜移時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)為時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)結(jié)構(gòu)提供連接。
圖1. Cyclone III 平面布置
Figure 1. Cyclone III Floorplan
關(guān)鍵特性 互聯(lián)
功耗
密度
嵌入式18x18乘法器
嵌入式存儲(chǔ)器
成本最佳的體系結(jié)構(gòu)
時(shí)鐘管理
外部存儲(chǔ)器接口
I/O 靈活性
接口和協(xié)議支持
信號(hào)完整性
片內(nèi)匹配
Cyclone III FPGAs— 為低功耗而優(yōu)化
Altera的Cyclone III FPGA是功耗最低的 65-nm FPGA。 Cyclone III 系列是首次實(shí)現(xiàn)靜態(tài)功耗低于0.5瓦,而邏輯單元(LE)數(shù)量高達(dá)120,000的FPGA。
了解Altera在實(shí)現(xiàn)低功耗65-nm FPGA上的投入：
Cyclone III 的功耗
低功耗的優(yōu)勢(shì)——不僅僅是更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間
Altera 是怎樣在 Cyclone III FPGA 上實(shí)現(xiàn)低功耗的
精確的功耗估算和優(yōu)化
Cyclone III 的功耗
圖 1 所示為Cyclone III 系列FPGA在不同工作頻率時(shí)的典型動(dòng)態(tài)功耗。在具有代表性的工作頻率點(diǎn),例如20MHz,容量最大的Cyclone III 器件——120K LE EP3C120,動(dòng)態(tài)功耗小于600mW。即使在工作頻率高達(dá)100MHz時(shí),EP3C120的動(dòng)態(tài)功耗也小于2瓦。
圖 1. Cyclone III FPGA的典型動(dòng)態(tài)功耗
圖 1. Cyclone III FPGA的典型動(dòng)態(tài)功耗
如果不采取措施來降低功耗,65-nm半導(dǎo)體工藝的靜態(tài)功耗會(huì)顯著增加。亞微米工藝的靜態(tài)功耗之所以增加,主要原因在于泄漏電流的增大,包括 65-nm 工藝較薄的邏輯門氧化層之間的隧道電流,以及亞閾值泄漏 (溝道至源極和漏極至源極電流) 等。Altera采取了重要措施來降低 Cyclone III 的靜態(tài)功耗,在下面的“芯片和體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化”一節(jié)中進(jìn)行闡述。
圖 2 所示為 Cyclone III 器件在 25°C 和 85°C 時(shí)的靜態(tài)功耗。容量最小的Cyclone III 器件在 25°C 時(shí)靜態(tài)功耗只有35mW,容量最大的Cyclone III 器件在 85°C 時(shí)靜態(tài)功耗只有 170mW 。
圖 2. Cyclone III FPGA的典型靜態(tài)功耗
圖 2. Cyclone III FPGA的典型靜態(tài)功耗
低功耗的優(yōu)勢(shì)
降低可編程邏輯器件的功耗對(duì)大量的應(yīng)用有明顯的好處,這些應(yīng)用包括：
便攜式或者手持式電池供電的設(shè)備
空間受限以及其他散熱困難的環(huán)境
價(jià)格敏感的應(yīng)用,采用制冷系統(tǒng)成本較高。
Cyclone III 系列充分展示了 Altera 在低功耗 FPGA 上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。結(jié)合最全面的體系結(jié)構(gòu)和芯片增強(qiáng)技術(shù),以及最新的半導(dǎo)體工藝技術(shù)和為客戶提供的完整的功耗管理工具, Altera 的努力得到了回報(bào)——與 90nm Cyclone II FPGA 相比,功耗降低了 50 %,在所有可比較的 FPGA 中,其功耗是最低的。
芯片和體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化
Cyclone III FPGA 采用臺(tái)灣半導(dǎo)體生產(chǎn)公司 (TSMC) 的 65-nm 低功耗 (LP) 工藝技術(shù)生產(chǎn),其他的主要半導(dǎo)體生產(chǎn)商也在小型器件中采用了該技術(shù)。高級(jí)工藝以及體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)降低了工藝尺寸,減小了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗,與 90nm Cyclone II 器件相比, Cyclone III 器件的總功耗降低了 30%。 Altera 在 Cyclone III 器件上采用的工藝和體系結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)包括使用低K 絕緣、可變溝道長(zhǎng)度和氧化層厚度,以及多晶體管閾值電壓等。
精確的功耗估算和分析
從設(shè)計(jì)構(gòu)思到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn), Altera 采用最精確和最全面的功耗管理設(shè)計(jì)工具,支持功耗估算和分析。 Altera 重視功耗分析的精確性,是唯一能夠利用工具包在低成本系列中進(jìn)行 85°C 和最差情況下芯片功耗估算的可編程邏輯供應(yīng)商。 Altera 提供以下功耗估算和分析資源：
Cyclone III 早期功耗估算器
Quartus II PowerPlay 功耗分析和優(yōu)化技術(shù)
功耗管理資源中心
設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)構(gòu)思階段使用 PowerPlay 早期功耗估算器 (EPE) ,在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)階段使用 PowerPlay 功耗分析器。 PowerPlay EPE 是基于表單的分析工具,根據(jù)器件和封裝選項(xiàng)、工作條件以及器件占用情況進(jìn)行早期功耗分析。
PowerPlay 功耗分析器不僅僅是非常詳細(xì)的功耗分析工具,它采用實(shí)際的設(shè)計(jì)布局布線和邏輯配置,以及仿真波形來精確地估算動(dòng)態(tài)功耗�？傮w上,功耗分析器利用正確的設(shè)計(jì)信息,精度一般能達(dá)到 ±10%。 Quartus II PowerPlay 功耗模型與實(shí)際的芯片測(cè)量模型非常接近。 Altera 使用 5,000 多種不同的測(cè)試配置來測(cè)量 Cyclone 系列各個(gè)元件的功耗。每一配置重點(diǎn)關(guān)注測(cè)量 FPGA 在特殊配置下的某個(gè)電路組成。
Quartus II 功耗優(yōu)化
詳細(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)施能夠提高性能,減小尺寸,降低功耗。以前,通過布局布線設(shè)計(jì)流程,在寄存器傳送級(jí) (RTL) 自動(dòng)對(duì)性能和尺寸進(jìn)行平衡。 Altera 在設(shè)計(jì)流程中考慮功耗優(yōu)化方面處于領(lǐng)先地位。 Quartus II PowerPlay 優(yōu)化工具自動(dòng)利用 Cyclone III 的體系結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步降低功耗,與 Cyclone II 器件相比,功耗降低了20%。另外,芯片和體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)降低了30%的功耗,與 90nm Cyclone II FPGA 相比,最終降低了50%的功耗。
Quartus II 軟件許多自動(dòng)功耗優(yōu)化措施對(duì)設(shè)計(jì)人員而言都是透明的,提供 FPGA 體系結(jié)構(gòu)詳細(xì)的占用情況來幫助降低功耗,包括：
變換主要功能模塊
映射用戶 RAM ,降低其功耗。
重構(gòu)邏輯以降低動(dòng)態(tài)功耗
正確選擇邏輯輸入,減小高觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)的電容。
降低內(nèi)核邏輯的面積和連線要求,以減小布線的動(dòng)態(tài)功耗。
修改布局以降低時(shí)鐘功耗
Cyclone III最終市場(chǎng)應(yīng)用
Cyclone III FPGA前所未有地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本和高性能. Cyclone III FPGA還包括了一些特征和增強(qiáng)作用,IP支持以及其他設(shè)計(jì)資源以便在一些特別的應(yīng)用程序領(lǐng)域得到優(yōu)化.
深圳市燁弘軒電子有限公司，我司2011年成立于中國(guó)經(jīng)濟(jì)特區(qū)深圳.我司專注于為全球電子企業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的電子零件供應(yīng)服務(wù)，竭力打造全球品牌元器件零售與批量供應(yīng)中心。專業(yè)經(jīng)營(yíng)各類電子元器件（集成電路IC，存儲(chǔ)芯片，分立器件,電源,無源元件,連接器,繼電器,傳感器,光電子,開關(guān),保險(xiǎn)元件,緊固件,開發(fā)工具,變壓器,測(cè)試與測(cè)量等）。 我們以低成本提供全方位一站式電子元件供應(yīng)鏈采購(gòu)方案，包括但不僅限于電子元件緊急物料搜尋，電子元件齊套供應(yīng)、電子元件降低成本的長(zhǎng)期供應(yīng)，庫(kù)存寄售等一系列供應(yīng)鏈解決方案。優(yōu)勢(shì)供應(yīng)各類電子組件.
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