Mikrokontroler.pl - portal dla elektroników

W odróżnieniu od dotychczas dostępnych w sprzedaży układów FPGA, wprowadzone do produkcji przez firmę Xilinx trzy nowe rodziny o nazwach: Virtex-7, Kintex-7 oraz Artix-7, oparte są na zunifikowanej architekturze (ASMBL), składającej się z następujących elementów:
– zespołów uniwersalnych komórek logicznych CLB, które są bardzo podobne do stosowanych w układach Virtex-6 (z 6-wejściową LUT),
– konfigurowalnych bloków pamięci RAM, które mogą pracować w trybie FIFO, DualPort SRAM, ROM i jako standardowy RAM – ich konstrukcja została również zaczerpnięta z układów Virtex-6,
– konfigurowalnych bloków DSP (o organizacji 25×18 i 48-bitowym akumulatorem), które mogą pracować jako bloki MAC lub szybkie ALU, z opcjonalnym detektorem sekwencji – podobne do stosowanych w układach Virtex-6,
– systemu generacji i dystrybucji sygnałów zegarowych MMCM (Mixed-Mode Clock Manager), pochodny rozwiązaniom stosowanym w układach Virtex-6, zasilający 32 globalne linie zegarowe.
Producent przewidział także przeniesienie do nowych układów innych elementów wyposażenia z układów Virtex-6 i Spartan-6, przede wszystkim:
– transceiverów GTP, GTX i GTH, a także PCS/PMA (choć z zastrzeżeniem, że wyłącznie ze względu na chęć zachowania kompatybilności z układami starszych generacji),
– 12-bitowych przetworników A/C o częstotliwości konwersji 1 MHz, współpracujące z czujnikami umożliwiającymi monitorowanie parametrów pracy układu FPGA (napięcia, temperatura) oraz napięć zewnętrznych w czym jest pomocny 17-kanałowy multiplekser analogowy,
– systemy ochrony własności intelektualnej, w tym blok kryptograficzny AES256 z nieulotną pamięcią klucza eFUSE,
– wydzielone bloki interfejsów PCIe (do Gen3 włącznie).
O ile pierwsze bloki z pierwszej grupy wchodzą – w różnej liczbie – w skład wszystkich układów FPGA z serii Xilinx-7, to pozostałe są wyposażeniem opcjonalnym. Zestawienie charakteryzujące elementy wyposażenia układów z serii Xilinx-7 przedstawiono w tab. 1.
Producent pozycjonuje nowe układy w następujący sposób:
– Virtex-7 – układy o największych zasobach logicznych, przeznaczone do najbardziej zaawansowanych aplikacji, w których duże znaczenie mają parametry czasowo-częstotliwościowe struktur FPGA,
– Kintex-7 – układy o zasobach logicznych znacznie mniejszych niż Virtex-7, wyposażona w szybkie interfejsy komunikacyjne o dużej szybkości pracy (jak w Virtex-7),
– Artix-7 – układy będące tańszymi, dostarczanymi w mniejszych obudowach, odpowiednikami układów Spartan-6.

Tab. 1. Zestawienie podstawowych cech i wyposażenia układów FPGA z rodzin Xilinx-7 (podano wartości maksymalne) 

Podczas projektowania układów z rodzin Xilinx-7 brano pod uwagę konieczność udostępnienia maksymalnie dużych zasobów logicznych przystosowanych do pracy z sygnałami o dużych częstotliwościach przy jednoczesnym zminimalizowaniu pobieranej mocy. Z tego powodu do produkcji nowych układów zastosowano nowoczesną technologię półprzewodnikową o wymiarze charakterystycznym 28 nm, noszącą nazwę High-k Metal Gate (HKMG), w której zastąpiono izolator bramki wykonany z dwutlenku krzemu izolatorem wykonanym z syntetycznego materiału o nazwie hafnium, dzięki któremu upływność bramki jest pomijalnie mała. Nie ma obecnie dostępnych pełnych danych katalogowych owych układów, ale z dostępnych materiałów wynika, że układy z rodzin Xilinx-7 będą pobierały o ok. 50% mniej energii niż ich odpowiedniki z serii Xilinx-6, przy jednoczesnym zwiększeniu maksymalnej częstotliwości taktowania o 20…40%. Obniżenie poboru mocy wynika także z zastosowania napięcia zasilającego rdzeń FPGA o wartości 1 V lub – w wersjach specjalnych – 0,9 V. Linie I/O wszystkich prezentowanych w artykule układów mogą współpracować z systemami cyfrowymi zasilanymi napięciami o wartości do 3,3 V.
Szczegółowe porównanie zasobów logicznych oferowanych przez poszczególne rodziny nowych układów FPGA firmy Xilinx przedstawiono poniżej.