【導(dǎo)讀】閃存FPGA不僅僅是一個(gè)可配置的系統(tǒng)門，同時(shí)還兼具多種功能，例如降低系統(tǒng)成本和功率、提高邏輯利用率、縮減系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間等，能夠在節(jié)省時(shí)間的情況下，靈活的提供最佳性能。本文就來(lái)詳述節(jié)能、靈活性強(qiáng)的閃存FPGA。
為何使用閃存工藝?
在許多應(yīng)用中，基于SRAM的FPGA器件也能夠提供與基于閃存的FPGA相似的特性和功能。然而，由于這些FPGA使用SRAM單元來(lái)保持配置模式，當(dāng)電源消失時(shí)，配置模式也消失了；在電源恢復(fù)時(shí)，系統(tǒng)必需重新載入配置模式，通常經(jīng)由一個(gè)串行接口，這可能要花數(shù)十或數(shù)百毫秒的時(shí)間。
另一方面，在基于閃存的FPGA中，配置模式保存在芯片上的非易失性存儲(chǔ)器單元，甚至電源被移除時(shí)，閃存單元中的內(nèi)容仍然保持完好無(wú)缺；當(dāng)系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)，F(xiàn)PGA可在數(shù)微秒內(nèi)上電，節(jié)省了寶貴的時(shí)間，可讓系統(tǒng)快速?gòu)碾娫垂收匣蛘咧匦聠?dòng)中恢復(fù)。
過(guò)去，基于閃存的FPGA在密度、性能和片上特性，比如處理器內(nèi)核、高速I/O通道和其它需要高密度的功能方面，也都落后于基于SRAM的器件。這種落后主要是由于縮減閃存單元的所需的挑戰(zhàn)，通常閃存單元需要的尺寸超過(guò)了芯片上其余SRAM邏輯組件。更大的尺寸帶來(lái)更低的性能，并且無(wú)法在FPGA上集成高性能處理器內(nèi)核和其它功能。
然而，工藝技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在可讓FPGA設(shè)計(jì)人員縮減閃存配置單元的尺寸，并且將它們集成進(jìn)先進(jìn)的邏輯工藝中，推動(dòng)基于閃存的高性能FPGA提供不下于SRAMFPGA，甚至更加優(yōu)越的特性和功能，并且通常具有更低的系統(tǒng)成本。此外，由于無(wú)需外部配置存儲(chǔ)器，基于閃存的陣列器件具有更小的系統(tǒng)占位面積，并且消耗更少功率。
閃存技術(shù)已從專用工藝變成了主流工藝，使得基于閃存的FPGA器件可以在成本敏感的市場(chǎng)上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)提供超過(guò)150KLE的邏輯密度(圖1)。閃存FPGA的集成功能還提供了可以幫助減少系統(tǒng)復(fù)雜性、降低系統(tǒng)功率和減少總體系統(tǒng)成本的系統(tǒng)級(jí)解決方案。
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圖2簡(jiǎn)明比較了閃存FPGA與相近密度SRAMFPGA器件之集成特性。
圖2：閃存FPGA與SRAMFPGA的集成特性比較(用于少于150KLE的器件)
雖然，基于閃存的FPGA和同等密度的基于SRAM的FPGA有許多共同之處，但除了閃存或SRAM配置性的不同之外，兩者之間還有許多顯著的特性區(qū)別，主要是I/O引腳的數(shù)目、SERDES通道的數(shù)目，以及基于閃存的FPGA加入了高性能存儲(chǔ)器子系統(tǒng)及嵌入式安全功能，包括AES256或SHA256加密/解密功能。
對(duì)于中等密度范圍器件，設(shè)計(jì)人員在特性、I/O引腳，以及封裝選項(xiàng)方面擁有豐富選擇，能夠滿足任何一個(gè)系統(tǒng)需求。然而，不同的產(chǎn)品系列提供不同的特性組合，因而沒(méi)有一個(gè)產(chǎn)品系列可以解決每一個(gè)系統(tǒng)需求。對(duì)于幫助設(shè)計(jì)人員降低系統(tǒng)復(fù)雜性的嵌入式系統(tǒng)支持功能，也有同樣情況。許多基于閃存和基于SRAM的FPGA器件均擁有相同的功能，比如PCIe端點(diǎn)、SRAM模塊、DSP模塊(可配置乘法器-累加器功能)等片上功能，以及可編程的邏輯模塊。
然而，更多的獨(dú)特功能，比如嵌入式處理器、存儲(chǔ)控制器、多千兆位/秒SERDES端口，以及專用的數(shù)據(jù)保密/解密支持，則限于個(gè)別器件。
有功和待機(jī)模式下的功耗，通常是選擇FPGA的決定性因素，尤其是如果最終系統(tǒng)必需在低功率模式下運(yùn)作，或者在停電時(shí)必需以備份電池工作盡可能長(zhǎng)的時(shí)間。
功率需求
圖3顯示了FPGA器件在系統(tǒng)啟動(dòng)和連續(xù)工作期間的不同運(yùn)行模式。對(duì)比基于SRAM的FPGA器件，基于閃存的器件提供了諸多的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，這是由于它們無(wú)涌入功率和配置功率，因此能夠以顯著低于SRAMFPGA器件的運(yùn)行功率運(yùn)作。
圖3:功率考慮因素：SRAMFPGA對(duì)比閃存FPGA
不斷增長(zhǎng)的連接性迫使設(shè)計(jì)人員更努力保持系統(tǒng)安全性，以防止黑客攻擊及提供經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)與其它系統(tǒng)安全通信的能力。
然而，一個(gè)系統(tǒng)一旦連接至互聯(lián)網(wǎng)便會(huì)成為黑客的目標(biāo)，黑客可能會(huì)試圖通過(guò)下載新的配置數(shù)據(jù)來(lái)?yè)p壞系統(tǒng)。為了防止這種情況發(fā)生，現(xiàn)在一些FPGA器件加入了安全子系統(tǒng)，確保僅有獲授權(quán)的配置代碼或控制程序會(huì)被載入和執(zhí)行，這個(gè)過(guò)程稱作“安全啟動(dòng)”?，F(xiàn)在一些內(nèi)置對(duì)策可防止物理攻擊，比如防篡改和存儲(chǔ)器的歸零化，基于閃存的FPGA器件可以使用片上的安全快閃存儲(chǔ)來(lái)保密密匙和關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
今天的FPGA器件可以加入硬線系統(tǒng)安全模塊以執(zhí)行NIST認(rèn)證的AES256、SHA256和橢圓曲線加密算法，以期提供實(shí)時(shí)加密/解密。此外，還可以加入隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和物理不可克隆功能(PUF)。PUF可以用于在公匙基礎(chǔ)設(shè)施(PKI)方案中生成私匙，僅為設(shè)備知曉，從而簡(jiǎn)化用戶密匙管理；當(dāng)然，隨機(jī)數(shù)字也廣泛用于密碼協(xié)議。今天以安全為中心的SoCFPGA可以僅由獲授權(quán)的加密位流來(lái)編程。某些設(shè)計(jì)人員會(huì)集成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微控制器和子系統(tǒng)與內(nèi)置安全功能。
今天FPGA器件的許多其它特性為網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)應(yīng)用提供了系統(tǒng)解決方案。例如，加入片上每秒5千兆位SERDES端口和多個(gè)PCIe串行接口以作為高帶寬接口，用于XAUI/XGXS和其它高速網(wǎng)絡(luò)接口等應(yīng)用。通過(guò)加入足夠的通用I/O引腳，今天的FPGA器件還提供了必需的I/O引腳與內(nèi)核邏輯比率，從而確保設(shè)計(jì)人員無(wú)需選擇超過(guò)需求的尺寸較大FPGA器件來(lái)獲得更高的I/O數(shù)目。最終，充足的靜態(tài)RAM和嵌入式非易失性存儲(chǔ)器(至少5兆位SRAM和4兆位eNVM)為設(shè)計(jì)人員提供了充足的存儲(chǔ)以保存寄存器文件、高速緩存和緩沖存儲(chǔ)，加上集成DSP模塊，可讓FPGA器件實(shí)施復(fù)雜的信號(hào)處理算法和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，處理數(shù)據(jù)包檢查，以及其它網(wǎng)絡(luò)功能。
基于閃存的FPGA提供了廣泛的功能，可讓設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建高集成度系統(tǒng)解決方案以降低系統(tǒng)成本、最小化印刷電路板面積和功率需求，并且提供超過(guò)SRAMFPGA的性能優(yōu)勢(shì)。
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