28nm FPGA芯片-Altera 的“雄韬伟略”

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Altera公司 28nm FPGA系列芯片共包括三大系列：Stratix V、Arria V与Cyclone V系列芯片。近日，Altera公司也正式宣布该三大系列芯片已全部开始量产出货。Altera公司凭借着其28nm FPGA芯片在性能和成本上的优势，未来的前景势必无法估量。通过本文对Altera公司 28nm FPGA系列芯片的基本性能、市场优势、型号差异以及典型应用等介绍，电子发烧友网小编将带领大家一起来感受Altera公司28nm FPGA系列芯片的“雄韬伟略”，深入阐述如何更好地为你未来的设计选择相应的Altera 28nm FPGA 芯片。

Stratix V系列：高端应用佼佼者

　　1.1 Stratix V系列 FPGA芯片基本描述
　　（1）业界带宽最宽、集成度最高的28nm FPGA，非常灵活。
　　（2）新一类目标应用器件，集成了28Gbps和支持背板的12.5Gbps收发器，还集成了硬核知识产权（IP）模块，包括嵌入式HardCopy模块，以及用户友好的部分重新配置功能。
　　（3）功耗比Stratix IV FPGA低30%。
　　（4）低风险、低成本移植到HardCopy ASIC，能实现量产。

1.2 Stratix V系列 FPGA芯片市场优势
　　Altera 28nm Stratix V FPGA在高端应用市场中实现了业界最大带宽和最高系统集成度，非常灵活，降低了成本和总功耗。对于大批量产品，采用Stratix V FPGA进行原型开发，把设计移植到低风险、低成本HardCopy V ASIC，性能将大大提高，功耗能够降低50％。Stratix V FPGA具有以下优点：
　　（1）高功效收发器突破了带宽
　　a.集成28.05G和14.1Gbps收发器，与前一代器件相比，收发器功耗降低了50％；
　　b. 1，066 MHz的6 x72 DDR3存储器接口；
　　c. 2.5 TMACS信号处理性能；
　　d. PCI Express Gen3， Gen2， Gen1硬核知识产权（IP）支持；
　　e. 内核和收发器中的嵌入式HardCopy模块和集成硬核IP，增强了关键数据通路元件，避免了系统瓶颈。
　　（2）单芯片提高集成度，降低了成本
　　a. 提高了密度，没有成本和功耗代价。这通过嵌入式HardCopy模块来实现，提供14.3M ASIC逻辑门或者达到1.19M逻辑单元。模块增强了标准功能或者需要大量逻辑的功能，支持PCI Express Gen3/2/1等接口协议以及40G/100G/400G等专用功能；
　　b. 部分重新配置功能，帮助您减小FPGA体积，节省了电路板面积、成本和功耗；
　　c. 分段式锁相环（fPLL）提供更灵活的时钟，替代板上压控晶体振荡器（VCXO）；
　　d. 在收发器中提供集成电信号散射补偿（EDC）功能，与光模块链接时不需要外部PHY。
　　（3）提高设计灵活性
　　a. 用户友好而且使用方便的精细粒度部分重新配置功能，您可以随时修改内核功能；
　　b. 动态重新配置收发器，使您很容易支持多种协议、数据速率和物理介质附加子层（PMA）设置；
　　c. 使用应用中现有PCI Express链路，通过协议（CvP）进行配置，降低了电路板设计的复杂度。
　　（4）降低系统功耗
　　与前几代器件相比，Stratix V FPGA通过关键技术，总功耗降低了30%：
　　a. 专利可编程功耗技术，提高了内核性能，同时降低了功耗；
　　b. TSMC 28-nm高K金属栅极高性能工艺，针对低功耗进行了优化；
　　c. 0.85-V内核电压；
　　d. 部分重新配置；
　　e. 嵌入式HardCopy模块和集成内核，以及收发器硬核IP。
　　1.3 Stratix V系列 FPGA芯片型号对比
　　Stratix V 系列FPGA型号包括Stratix V GT FPGA、Stratix V GX FPGA、Stratix V GS FPGA、Stratix V E FPGA四个型号。具体型号说明及其相关参数对比详见表1和表2：

　　表1 Stratix V系列FPGA型号

　　表2 Stratix V系列FPGA型号对比

　　注：收发器一栏数据指的是收发器通道数据速率/数量

　　纵观表1和表2可知：根据四大型号参数对比，Stratix V GT FPGA更适用于需要超宽带和超高性能的应用，例如，40G/100G/400G应用；Stratix V GX FPGA则偏向于高性能、宽带应用；Stratix V GS FPGA适用于高性能精度可调数字信号处理（DSP）应用；Stratix V E FPGA适用于ASIC原型开发。这样，FPGA工程师便可根据具体需求来选择适合自己的FPGA芯片。

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1.4 Stratix V系列 FPGA芯片典型应用
　　Stratix V FPGA解决了各行业应用中的设计挑战，具体应用详见下文。
　　（1）100-Gb光传送网（OTN）复用转发器

图 100-Gb光传送网（OTN）复用转发器

　　a. 提供连续数据范围在600 Mbps到14.1 Gbps之间的串行收发器，通过使用方便的部分重新配置功能支持多标准客户侧接口；
　　b. 44个独立发送时钟域，提高了时钟灵活性；
　　c. 收发器集成电信号散射补偿（EDC）功能，可直接驱动光模块（SFP+、SFP、QSFP、CFP）；
　　d. 支持下一代光接口的28-Gbps收发器；
　　e. 替代外部压控晶体振荡器（VCXO）的高级fPLL。
　　如果需要了解详细信息，请阅读【
在28-nm FPGA上实现100-Gbit OTN复用转发器解决方案
】白皮书。
　　（2）100G以太网（GbE）线路卡

图 100G以太网（GbE）线路卡

　　a. 支持40 GbE、100 GbE和Interlaken的高密度硬核MLD/PCS模块，从而提高系统集成度；
　　b. 宽带数据缓冲，提供1，600-Mbps外部存储器接口；
　　c. 数据包处理和流量管理功能的高效实现；
　　d. 更高的系统性能，同时保持功耗和成本预算不变。
　　如果需要了解详细信息，请阅读【在28-nm FPGA上解决100-GbE线路卡设计挑战
】白皮书。
　　（3）交叉矩阵和背板交换架构

图交叉矩阵和背板交换架构

　　a. 66个相同的宽带收发器，覆盖600 Mbps到14.1 Gbps连续数据速率范围；
　　b. 内置高级信号调理电路，可直接驱动10GBASE-KR背板；
　　c. 部分和动态重新配置功能，灵活的支持各种线路卡接口；
　　d. 更高的集成度，适用于实现调度功能。
　　（4）军事雷达应用

图军事雷达应用

　　a. 高效的浮点乘法，超过1.25 TFLOPS；
　　b. 更高的信号处理带宽，高达2.5 TMACS；
　　c. 自动单事件干扰（SEU）探测和纠正；
　　d. 设计安全和增强高级加密标准（AES）算法，256位易失和非易失密钥；
　　e. Quartus II 软件提供的高效能工具，包括DSP Builder高级模块库和渐进式编译功能。
　　如果需要了解详细信息，请参考【Altera军事雷达和传感器解决方案】
　　（5）RF卡和通道卡

图 RF卡和通道卡

　　a. 更少的数据通道，每个通道更高的吞吐量，节省了电路板面积，降低了功耗和成本
　　b. 进一步提高集成度，减小了系统延时，增强了系统性能和可靠性；
　　c. 更高的DSP和存储器逻辑比，突出设计优势；
　　d. 与竞争产品相比，更大的MIMO和带宽密度。
　　（6）演播视频服务器

图演播视频服务器

　　a. 同类最佳的串行数字接口（SDI）解决方案；
　　b. 通过用户友好的部分重新配置功能，支持多个CODEC；
　　c. 自然支持10位，实现最佳存储器设计；
　　d. 更高的乘法器和存储器逻辑比，更高效的处理视频；
　　e. 通过CODEC和1080p视频工作台IP内核提供全面的解决方案。

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2 Arria V系列：中端市场最佳性价比之王

　　2.1 Arria V系列 FPGA芯片基本描述
　　（1）28nm FPGA，在成本、功耗和性能上达到均衡；
　　（2）包括低功耗6G和10G串行收发器；
　　（3）总功耗比6G Arria II FPGA低40%；
　　（4）丰富的硬核IP模块，提高了集成度；
　　（5）目前市场上支持10.3125Gbps收发器技术、功耗最低的中端FPGA。

　　2.2 Arria V系列 FPGA芯片市场优势
　　对于远程射频单元、10G/40G线路卡以及广播演播室等中端应用，Arria V FPGA在成本和性能上达到了均衡，而总功耗是最低的。在所有中端FPGA系列中，Arria V系列的总功耗最低、静态功耗最低、收发器功耗最低。
　　（1）均衡性优势
　　与前一代器件相比，功耗可降低至40%。在其同类FPGA中，该系列静态功耗降低50%，收发器功耗降低50%。通过利用Altera成熟可靠的收发器领先技术以及第六代收发器IP，该系列经过优化，10.3125Gbps数据速率时，功耗只有100mW。Arria V FPGA在成本、性能和功耗上能够达到均衡。

　　
图 Arria V FPGA与Arria II相比功耗上的优势

　　（2）业界一流的低功耗技术
　　Arria V体系结构、IP和开发工具结合TSMC的28LP工艺，使用户能够在成本、功耗和性能上很好的达到均衡；能满足了无线、宽带等应用领域独特的需求；确保用户在应用中实现每瓦最佳性能。
　　a.任何中端FPGA中最低的静态功耗（《 800 mW，500K逻辑单元）；
　　b.中端FPGA中，功耗最低的串行收发器（6.375Gbps时每通道最大功耗小于100mW，10.3125Gbps时每通道最大功耗小于140mW）；
　　c.总功耗比6.375Gbps Arria II FPGA低40%；
　　d.处理性能超过4，000MIPS（Dhrystones 2.1基准测试），功耗不到1.8W（对于SoC FPGA）；
　　e.硬核知识产权（IP），适用于存储器接口、处理器和PCI Express标准，进一步降低了总功耗。
　　（3）丰富的硬核IP模块
　　Arria V系列体系结构集成了丰富的硬核IP模块，包括：
　　a.支持Mobile DDR、LPDDR2 SDRAM和533-MHz DDR3 SDRAM的增强存储器控制器，提供可选纠错码（ECC）支持；
　　b.提供多功能支持的PCI Express Gen2 x4；
　　c.针对有限冲击响应（FIR）滤波器进行了优化的精度可调DSP模块；
　　d.HPS （对于SoC FPGA）：双核ARM CortexTM-A9 MPCoreTM处理器；嵌入式外设（以太网、USB、闪存等）；宽带（》125 Gbps）HPS-FPGA互联。
　　采用可立即使用的功能，与软核逻辑实现相比，这些硬核IP模块的功耗更低，从而简化了设计过程，为工程师提供更多的逻辑资源，开发具有一定优势的产品功能。此外，Arria V FPGA还提供最全面的设计保护功能，包括支持易失和非易失密钥的256位高级加密标准。
　　硬核IP功能以及集成10.3125-Gbps收发器等特性使得Arria V FPGA成为满足中端应用性能和各种标准需求的理想选择，这些应用包括无线、固网、广播和视频最终市场等。
　　2.3 Arria V系列 FPGA芯片型号对比
　　Arria V系列FPGA型号包括Arria V GT FPGA、Arria V GX FPGA、Arria V SX FPGA、Arria V ST FPGA四个型号。具体型号说明及其相关参数对比详见表1、表2、表3：

　　表1 Arria V系列FPGA型号及说明

　　表2 Arria V系列不同型号FPGA乘法器数量对比

　　表3 Arria V系列不同型号FPGA的内存容量及其分布对比

　　纵观表1、表2和表3可知：根据四大型号具体描述以及各种参数对比，Arria V系列适用于远程射频前端、演播混音器和10G/40G线路卡等应用；此外，Arria V系列密度范围高达503K逻辑单元（LE），收发器工作速率高达10.3125 Gbps，并提供可选嵌入式双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器，支持工程师选择最能满足其需求的器件，FPGA工程师便可根据具体需求来选择适合自己的FPGA芯片。

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2.4 Arria V系列 FPGA芯片典型应用
　　通过上面的特性说明，Arria V FPGA在主流应用中实现了最低功耗和最低系统成本。在下面的应用领域中，我们可以详细了解Arria V FPGA是怎样帮助工程师突出解决方案优势的：
　　（1）无线通信（远程射频前端、基带处理、通道卡和其他大批量基础设备）
　　近十年来互联网的爆炸性增长导致对大众化高速互联网接入技术的需求越来越大。无线互联网接入技术在家庭和办公室之外提供网络接入，满足了这种不断增长的需求。目前有很多无线应用方案，能够满足各种不同的要求，使您能够持续、方便、灵活地访问网站最新信息。
　　移动蜂窝通信从传统的模拟系统发展到了今天的正交频分复用接入（OFDMA）和多输入多输出（MIMO） 4G数字系统。对于高速数据服务，与W-CDMA和cdma2000等3G技术相比，3G+标准能够实现更高的峰值数据速率。例如，高速下行链路分组接入（HSDPA）和高速上行链路分组接入（HSUPA）技术将W-CDMA的下行链路和上行链路数据速率分别提高到14.4 Mbps和5.6 Mbps。基于3G合作伙伴计划（3GPP）的长期发展（LTE）标准下一代网络目前正在进行原型开发，准备进行现场实验。

　　
图描述了各种无线应用方案的移动性和数据数率

　　宽带无线接入技术具有很大的市场潜力，使得微波接入全球互通（WiMAX）技术越来越流行。WiMAX 802.16e-2005支持城域网（MAN）范围内的移动高速互联网接入，使用正交频分复用接入（OFDMA）和多输入多输出（MIMO）技术等高级信号处理方案。WiMAX 802.16e-2005作为一种固定无线技术，将在新网络实施以及新兴市场上扮演重要角色。
　　随着半导体技术和信号处理技术的进步，无线标准和系统本身也在不断发展。这就需要一个可以提供较宽处理带宽，具有产品及时面市优势的灵活硬件平台来满足这些需求。Altera 的可编程逻辑器件（PLD）提供高性能产品组合以及低成本FPGA，结合低成本HardCopy® ASIC无风险移植技术，为无线基础设施设计提供所需的处理带宽和灵活性。为缩短产品面市时间，Altera 还提供多种知识产权（IP）、参考设计，以及来自Altera无线支撑系统的合作伙伴现成解决方案。
　　（2）广播（高清晰（HD）视频摄像机、视频会议设备和演播室调音台）

　　电视广播正在由模拟向数字转换，为广播设备生产商、电视广播公司和宽带服务提供商带来了新的商业机遇。而且，互联网协议电视（IPTV）和移动电视等新的节目内容传送方式也在不断发展中，并迅速开始实施。数字高清晰（HD）节目内容的普及使得HD电视机消费用户的数量创下了新记录。实现这一切的基础在于能否提高音频/视频质量，降低比特率，并减小传送成本，以满足越来越迫切的需求。为了能够在竞争中脱颖而出，设备生产商在其视频产品和传送设备中采用了Altera领先于市场的解决方案。Altera提供丰富的可编程器件以及HardCopy ASIC，具有经过优化的广播知识产权（IP）内核、功能强大的设计软件以及各种开发套件，帮助您建立使用方便的全套广播系统。
　　Altera视频工作台高度集成了IP、设计工具和硬件，帮助视频系统设计人员：
　　a.完成1080p HD、4K以及更高分辨率的多通道视频处理功能
　　b.采用经过硬件验证的可定制参考设计缩短设计周期
　　c.在硬件中高效的集成定制视频处理功能
　　d.避免了采用高成本的外部PHY和时钟元器件，例如，DisplayPort、高清晰多媒体接口（HDMI）和压控振荡器（VCXO）等使用的元器件。
　　e.解决存储器子系统和相关带宽等难题
　　f.采用一系列调试、监视、仿真和分析工具，简化开发工作。
　　g.在一个硬件平台上满足多种设备需求，从而提高工作效率。
　　很多设备生产商和系统集成商在大量的应用中成功采用了Altera视频工作台，例如：
　　a.前端：视频传送、Edge-QAM、SMPTE 2022 IP承载视频，等。
　　b.演播：后期制作、采集、摄像机、转换器、路由器，等。
　　c.专业音频和视频：视频会议或者远程监控、Ethernet AVB、数字签名，等。
　　d.数字影院：投影机、视频处理、JPEG2K、H.264 CODEC，等。
　　（3）固网

　　固网的发展非常迅速，接入网融合了多种服务，支持语音、视频和数据传送。创新的接入技术需要灵活的平台以迅速实现解决方案，而大批量应用市场则需要低成本解决方案。在接入设备中使用Altera的低成本可编程逻辑和HardCopy® ASIC是实现量产的快速无风险途径。接入网流量的大幅度增长导致对高性能芯片和接口技术的迫切需求。Altera的28-nm Stratix V FPGA和HardCopy V ASIC针对高端通信应用进行了优化，并着重提供丰富的存储器，支持串行接口体系结构。

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　　3 Cyclone V系列：低成本、低功耗不二选择

　　3.1 Cyclone V系列 FPGA芯片基本描述
　　Cyclone V FPGA为工业、无线、固网、广播和消费类应用提供市场上系统成本最低、功耗最低的FPGA解决方案。该系列集成了丰富的硬核知识产权（IP）模块，帮助您以更低的系统总成本和更短的设计时间完成更多的工作。Cyclone V系列中的SoC FPGA实现了独特的创新技术，例如，以硬核处理器系统（HPS）为中心，采用了双核ARM CortexTM-A9 MPCoreTM处理器，以及丰富的硬件外设，从而降低了系统功耗和成本，减小了电路板面积。基本描述如下：

　　（1）28nm FPGA实现了业界最低系统成本和功耗
　　（2）三种型号：仅逻辑、3G收发器和5G收发器。
　　（3）与前几代产品相比，总功耗降低了40%，静态功耗降低了30%。
　　（4）丰富的硬核IP模块，提高了集成度。
　　3.2 Cyclone V系列 FPGA芯片市场优势
　　Altera公司28nm Cyclone V FPGA是目前市场上功耗最低、成本最低的28nm FPGA。该系列通过集成，前所未有的同时实现了高性能、低系统成本和低功耗，非常适合工业、无线、固网、军事和汽车等市场应用。Cyclone V系列完成了Altera的28nm定制系列产品的全系列发售，提供多种器件以满足用户的各类设计需求——从最大带宽到最低功耗。
　　（1）Cyclone V系列采用了TSMC的28nm低功耗（28LP）工艺进行开发，满足了目前大批量低成本应用对最低功耗、最低成本，以及最优性能水平的需求。
　　（2）与前几代产品相比，该系列总功耗降低了40%，静态功耗降低了30%。Cyclone V FPGA提供功耗最低的串行收发器，每通道在5 Gbps时功耗只有88mW，处理性能高达4，000-MIPS，而功耗不到1.8W。
　　（3）此外，该系列集成了丰富的硬核知识产权模块，例如，支持400MHz DDR3和PCI Express Gen2硬核IP模块的多功能硬核存储器控制器等，帮助工程师降低系统成本和功耗，缩短设计时间，同时突出产品优势。
　　（4）为保护宝贵的IP投入，该系列还提供最全面的设计保护功能，包括支持易失和非易失密钥的256位高级加密标准（AES）。
　　（5）降低了成本——FPGA只需要两路电源稳压器电压，提供具有小外形封装选择的线键合封装。
　　（6）业界评价
　　使用Altera公司28nm Cyclone V FPGA，工程师用户可以充分发挥业界最全系列产品的优势，满足其独特的性能、功耗和成本系统需求。提高集成度、增强性能、降低功耗等技术要求越来越高，而对产品快速面市的要求也越来越复杂，因此，Cyclone V系列是低成本、大批量市场最合适的解决方案。
　　3.3 Cyclone V系列 FPGA芯片型号对比
　　Cyclone V系列FPGA型号共六种，包括Cyclone V E FPGA、Cyclone V GX FPGA、Cyclone V GT FPGA、Cyclone V SE SoC FPGA、Cyclone V SX SoC FPGA、Cyclone V ST SoC FPGA。具体型号说明及相关参数对比详见表1、表2及表3：

　　表1 Cyclone V系列FPGA型号描述

　　表2 Cyclone V系列不同型号FPGA乘法器数量对比

　　表3 Cyclone V系列不同型号FPGA的内存容量及其分布对比

　　纵观表1、表2和表3可知：根据Cyclone V系列六大型号FPGA的具体描述以及各种参数对比，不难看出Altera的Cyclone V FPGA系列对于在协议桥接、电机控制、广播和手持式设备等对低功耗和电路板空间要求较高的应用上是理想的选择。因此，FPGA工程师便可根据具体需求来选择适合自己的Cyclone V FPGA型号芯片。
　　3.4 Cyclone V系列 FPGA芯片典型应用
　　采用Cyclone V FPGA，能够满足工程师用户大批量应用所需要的功耗、成本和性能要求，这些应用包括协议桥接、电机控制驱动、广播视频转换器和采集卡，以及手持式设备等。
　　应用举例：采用Arria V和Cyclone V精度可调DSP模块实现高性能DSP应用
　　目前市场上的很多高级应用都有高精度和可变精度要求，实现复杂数字信号处理（DSP）功能的难度很大。Altera创新的精度可调DSP模块不但支持高性能信号处理功能，而且还满足了信号处理设计特有的精度要求。
　　本资料为视频资料，可点击此链接查看：http://www.altera.com.cn/educati ... able-precision.html
　　通过此视频，我们可以了解到28nm Arria V和Cyclone V FPGA中的精度可调DSP模块。具体有如下三点：
　　（1）DSP设计发展趋势，以及高级应用的精度要求。
　　（2）DSP模块增强功能，帮助您提高性能，节省资源。
　　（3）使用DSP模块高效实现单精度和双精度浮点运算。

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　Altera 28nm FPGA系列芯片——为满足特殊设计需求而定制

　　Altera的28nm FPGA系列是业界最全面的器件产品，能够满足了高、中、低端不同用户的各种设计需求。该系列通过其Arria V、Cyclone V和Stratix V FPGA系列，为用户提供清晰的差异化解决方案。在工艺技术、体系结构、收发器技术和硬核知识产权（IP）模块上加大投入，设计人员采用该系列芯片既可满足自己的成本、性能和低功耗需求，同时亦能缩短开发时间，减小工作量。
　　通过上文对Altera 28nm FPGA系列芯片的介绍，我们不难看出该系列芯片在市场上得天独厚的优势。这里借用行业市场分析师HansMosesmann曾经说过的一句话来给正在使用或将要使用Altera 28nm FPGA系列器件的工程师们一颗“定心丸”吧：“Altera迈向28nm芯片的策略令我影响深刻，因为在产品性能和成本上都具备绝对优势；此外，其产品线阵容之强大，绝对是FPGA产业界前所未有的。”