Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №12

Особенности архитектуры нового поколения ПЛИС с архитектурой FPGA фирмы Xilinx

Зотов Валерий


В текущем году фирма Xilinx приступила к серийному выпуску последних семейств ПЛИС, относящихся к сериям Virtex-6 и Spartan-6, информация о которых была представлена в [1–3]. Вместе с тем, подтверждая статус ведущего производителя кристаллов программируемой логики с архитектурой FPGA (Field Programmable Gate Array), фирма Xilinx сообщила о разработке нового поколения ПЛИС, производство которых должно начаться в следующем, 2011 году. Цель этой статьи — ознакомление разработчиков с наиболее существенными особенностями, основными характеристиками и составом новых серий ПЛИС.

Общая характеристика и особенности кристаллов программируемой логики с архитектурой FPGA нового поколения

Новое поколение кристаллов программируемой логики с архитектурой FPGA будет представлено тремя сериями ПЛИС — Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7, производимыми по High-K Metal Gate (HKMG) технологии 28 нм. Таким образом, фирма Xilinx существенно обновляет спектр продукции, который традиционно был представлен ею на рынке ПЛИС в последнее десятилетие [4]. Прекращается разработка новых семейств кристаллов линейки Spartan, архитектура которых, за исключением Spartan-6, соответствовала структуре ПЛИС серии Virtex предыдущего поколения. При проектировании серий Virtex-6 [5–16] и Spartan-6 [17–26] был сделан первый шаг в процессе перехода к одновременному выпуску нескольких линеек кристаллов программируемой логики с архитектурой FPGA, соответствующих одному поколению.

В кристаллах программируемой логики всех семейств нового поколения применяется единая унифицированная архитектура, которая является результатом дальнейшего развития архитектуры ПЛИС серии Virtex-6. Тем самым созданы все необходимые предпосылки для быстрого и легкого переноса разработанных ранее проектов в кристаллы соответствующей серии — Artix-7, Kintex-7 или Virtex-7. Одновременный выпуск трех указанных линеек ПЛИС с унифицированной архитектурой позволяет выбрать для реализации проектируемого устройства и последующего серийного производства кристалл с оптимальным сочетанием объемов логических ресурсов, специализированных аппаратных блоков, быстродействия и потребляемой мощности. В ПЛИС всех серий нового поколения применяется единая масштабируемая топология логических и специализированных аппаратных блоков (рис. 1).



Рис. 1. Топология логических и специализированных аппаратных блоков в ПЛИС серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7

Основу архитектуры кристаллов серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7 образует массив конфигурируемых логических блоков (Configurable Logic Block, CLB), каждый из которых содержит две секции. Во всех трех сериях используются секции двух типов SLICEM и SLICEL, структура которых унаследована от ПЛИС серии Virtex-6 [1]. Каждая из этих секций включает в себя четыре реальные шестивходовые таблицы преобразования Look-Up Table (LUT), с выходами которых сопряжено по паре триггеров. В состав конфигурируемого логического блока могут входить секции двух типов (CLB_LM) или только одного типа SLICEL (CLB_LL). На рис. 2 представлена структура двух типов конфигурируемых логических блоков CLB, применяемых в ПЛИС серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7. В отличие от ПЛИС серии Spartan-6 в архитектуре кристаллов нового поколения отсутствуют секции SLICEX.



Рис. 2. Обобщенная структура конфигурируемых логических блоков CLB, применяемых в ПЛИС серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7

Блочная память Block RAM в кристаллах серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7 имеет ту же организацию, что и в ПЛИС серии Virtex-6. Каждый модуль двухпортовой блочной памяти емкостью 36 кбит, который может использоваться в виде двух независимых блоков объемом 18 кбит, оснащен встроенной системой обнаружения и коррекции ошибок и специальной схемой управления, необходимой для организации запоминающих устройств, функционирующих по принципу «первым вошел – первым вышел» (first-in first-out, FIFO).

Наиболее заметными отличиями кристаллов программируемой логики нового поколения по сравнению с ПЛИС серий Virtex-6 и Spartan-6 являются:

  • Снижение уровня потребляемой мощности.
  • Повышение производительности реализуемых устройств и систем.
  • Усовершенствованная комплексная система распределения тактовых сигналов внутри кристалла, включающая совокупность различных типов линий и соответствующих буферных элементов и обеспечивающая минимизацию задержек распространения сигналов синхронизации.
  • Внедрение модернизированных блоков управления синхронизацией Clock Management Tile (CMT), включающих в себя комбинированный модуль управления синхронизацией Mixed-Mode Clock Managers (MMCM) и систему ФАПЧ (Phase-Locked Loop, PLL).
  • Применение интегрированных аппаратных модулей интерфейса PCI Express следующего поколения, соответствующих спецификации PCI Express Base Specification Revision 2.1 (Gen1, Gen2), которые могут конфигурироваться как конечное устройство (Endpoint) или как корневой порт (Root Port).
  • Возможность реализации в кристаллах серий Kintex-7 и Virtex-7 модулей интерфейса PCI Express, соответствующих спецификации PCI Express Base Specification Revision 3.0 (Gen3) на основе синтезируемых IP-ядер.
  • Поддержка расширенного спектра однополюсных и дифференциальных цифровых стандартов ввода/вывода с уровнями сигналов от 1,2 до 3,3 В, что является результатом дальнейшей модернизации технологии SelectI/O, включающей в себя модули цифрового управления импедансом Digitally controlled impedance (DCI) и интерфейсные блоки ChipSync.
  • Применение усовершенствованных блоков ввода/вывода, поддерживающих режим энергосбережения.
  • Наличие в каждом кристалле, содержащем более 100 000 логических ячеек, аналогоцифрового блока XADC, предоставляющего возможность преобразования в цифровую форму 17 внешних аналоговых сигналов, а также контроля значений уровней напряжений питания и температуры ПЛИС.
  • Применение новых модификаций высокоскоростных приемопередатчиков RocketIO с максимальной скоростью приема и передачи данных до 13,1 Гбит/с, обеспечивающих возможность реализации широкого спектраинтер - фейсов вычислительных и телекоммуникационных систем, включая PCI Express, SATA/SAS, DisplayPort, Ethernet, SONET/OTU, Interlaken, Aurora.
  • Поддержка новых низковольтных (1,2, 1,35 В) высокоскоростных интерфейсов памяти различного типа.
  • Использование во всех сериях ПЛИС (Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7) единой архитектуры секций цифровой обработки сигналов (ЦОС) DSP48E1.
  • Новый расширенный ряд корпусного исполнения, включающий компактные варианты корпусов, обеспечивающие минимизацию площади печатной платы, занимаемой ПЛИС.
  • Возможность реализации встраиваемых микропроцессорных систем на основе новой версии конфигурируемого 32-разрядного ядра MicroBlaze v8.

Поддержка кристаллов нового поколения средствами проектирования Xilinx ISE (Integrated Software Environment/Integrated Synthesis Environment) Design Suite будет осуществляться, предположительно, начиная с 13-й версии.

Состав и основные характеристики ПЛИС серии Artix-7

Кристаллы программируемой логики серии Artix-7 характеризуются среди ПЛИС нового поколения наименьшими значениями потребляемой мощности и низкой стоимостью, поэтому ориентированы на применение в составе серийно выпускаемой аппаратуры. ПЛИС этой линейки наиболее эффективно подходят для реализации проектируемых устройств, выполняемых в настоящее время на базе кристаллов серий Spartan-3 и Spartan-6.

В составе серии Artix-7 предполагается выпуск пяти типов кристаллов, содержащих от 17 920 до 352 320 логических ячеек (Logic Cells). Сведения об основных функциональных возможностях ПЛИС серии Artix-7 представлены в таблице 1, которая содержит данные об объеме доступных ресурсов различного типа. Эту серию условно можно разбить на два семейства, по аналогии с линейкой ПЛИС Spartan-6. К первому семейству относятся кристаллы XC7A20, XC7A40 и XC7A105, которые не содержат высокоскоростных приемопередатчиков и аппаратных блоков интерфейса PCI Express. Второе семейство представлено двумя типами ПЛИС — XC7A175T и XC7A355T, в состав которых входят четыре высокоскоростных приемопередатчика RocketIO типа GTP, поддерживающие скорости приема и передачи данных до 3,75 Гбит/с, и аппаратный блок интерфейса PCI Express, соответствующий спецификации PCI Express Base 2.1 Specification (Gen1) с поддержкой скорости передачи данных 2,5 Гбит/с.

Таблица 1. Основные параметры ПЛИС серии Artix-7

Тип ресурсов ПЛИС Тип кристалла
XC7A20 XC7A40 XC7A105 XC7A175T XC7A355T
Логические
ресурсы
Количество секций (Slices) 2800 6200 16 200 27 050 55 050
Общее число триггеров (CLB) 22 400 49 600 129 600 216 400 440 400
Число логических ячеек (Logic Cells) 17 920 39 680 103 680 173 120 352 320
Ресурсы памяти Объем распределенной памяти (1К = 1024 бит) 225K 450K 1275K 2063K 4188K
Количество модулей блочной памяти (Block RAM)
емкостью 36 кбит
20 40 120 185 335
Объем блочной памяти (1К = 1024 бит) (Block RAM) 720K 1440K 4320K 6660K 12 060K
Модули
синхронизации
Количество блоков управления синхронизацией
(Clock Management Tiles, CMT)
2 4 6 9 9
Число модулей управления синхронизацией
(Mixed-Mode Clock Managers, MMCM)
2 4 6 9 9
Встроенные
специализи-
рованные
аппаратные
модул
Число аппаратных секций цифровой обработки сигналов
DSP48E1
40 80 240 400 700
Число аппаратных модулей PCI Express 1 1
Количество аппаратных блоков HMAC 1 1 1
Число высокоскоростных последовательных
приемопередатчиков RocketIO GTP
4 4
Количество аналого-цифровых блоков XADC 1 1 1
Ресурсы
ввода/вывода
Максимальное число пользовательских выводов 100 200 300 450 450
Максимальное число дифференциальных пар выводов 48 96 144 216 216
Поддерживаемые стандарты сигналов ввода/вывода LVCMOS (3,3; 2,5; 1,8; 1,5 и 1,2 В), HSTL_I (1,8 и 1,5 В), HSTL_II (1,8 и 1,5 В), Diff_HSTL_I (1,8 и 1,5 В), Diff_HSTL_II (1,8 В), LVDS, Mini LVDS, PPDS, RSDS (pt-to-pt), SSTL_I (1,8 В), SSTL_II (1,8 В), SSTL (1,5 В), PCI, TMDS
Варианты
быстродействия
ПЛИС
Варианты быстродействия для коммерческого исполнения -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3
Варианты быстродействия для промышленного исполнения -L1, -1, -2 -L1, -1, -2 -L1, -1, -2 -L1, -1, -2 -L1, -1, -2
Конфигурационная
память
Объем конфигурационной памяти, Мбит 5,3 10,5 27,1 45,1 84,6

Информация о корпусном исполнении каждого типа ПЛИС серии Artix-7, с указанием количества доступных высокоскоростных последовательных приемопередатчиков RocketIO типа GTP и пользовательских входов/выходов, приведена в таблице 2. Судя по этой таблице, в кристалле XC7A175T, выпускаемом в корпусах CSG324 и FGG484, а также в ПЛИС XC7A355T в корпусе FGG484 отсутствуют высокоскоростные последовательные приемопередатчики RocketIO GTP. Такое решение объясняется необходимостью обеспечения совместимости по выводам с другими ПЛИС серии Artix-7, которые производятся в указанных корпусах. Все пользовательские выводы кристаллов этой серии поддерживают цифровые сигнальные стандарты с уровнями сигналов до 3,3 В включительно.

Таблица 2. Типы корпусного исполнения ПЛИС серии Artix-7

Тип
кристалла
Тип корпуса ПЛИС
CPG236 CSG324 CSG484 FTG256 FGG484 FGG784
10×10 мм 15×15 мм 19×19 мм 17×17 мм 23×23 мм 29×29 мм
XC7A20 100 100
XC7A40 140 200 170
XC7A105 140 210 285 300
XC7A175T 210 4 285 325 4 450
XC7A355T 4 285 325 4 450

Состав и основные характеристики кристаллов программируемой логики серии Kintex-7

ПЛИС серии Kintex-7 отличаются оптимальным соотношением производительности и стоимости. Эта линейка будет представлена пятью типами кристаллов, которые содержат от 30 400 до 406 720 логических ячеек (Logic Cells). Основные параметры ПЛИС этой серии, отражающие сведения о количестве доступных логических и специализированных аппаратных ресурсов каждого типа, представлены в таблице 3.

Таблица 3. Основные параметры ПЛИС серии Kintex-7

Тип ресурсов ПЛИС Тип кристалла
XC7K30T XC7K70T XC7K160T XC7K325T XC7K410T
Логические ресурсы Количество секций (Slices) 4750 10 550 25 350 50 950 63 550
Общее число триггеров CLB 38 000 84 400 202 800 407 600 508 400
Число логических ячеек (Logic Cells) 30 400 67 520 162 240 326 080 406 720
Ресурсы памяти Объем распределенной памяти (1К = 1024 бит) 413K 838K 1938K 4000K 5663K
Количество модулей блочной памяти (Block RAM) емкостью 36 кбит 65 135 225 445 795
Объем блочной памяти (1К = 1024 бит) (Block RAM) 2340K 4860K 8100K 16 020K 28 620K
Модули синхронизации Количество блоков управления синхронизацией (Clock Management Tiles, CMT) 3 6 8 10 10
Число модулей управления синхронизацией (Mixed-Mode Clock Managers, MMCM) 3 6 8 10 10
Встроенные специализи- рованные аппаратные модули Число аппаратных секций цифровой обработки сигналов DSP48E1 120 240 400 840 1540
Число аппаратных модулей PCI Express 1 1 1 1 1
Количество аппаратных блоков HMAC 1 1 1 1 1
Число высокоскоростных последовательных приемопередатчиков RocketIO GTX 4 8 8 16 16
Количество аналого-цифровых блоков XADC 1 1 1
Ресурсы ввода/вывода Максимальное число пользовательских выводов 150 300 400 500 500
Максимальное число дифференциальных пар выводов 72 144 192 240 240
Поддерживаемые стандарты сигналов ввода/вывода
  1. LVCMOS (3,3; 2,5; 1,8; 1,5 и 1,2 В), HSTL_I (1,8 и 1,5 В), HSTL_II (1,8 и 1,5 В), Diff_HSTL_I (1,8 и 1,5 В), Diff_HSTL_II (1,8 В), LVDS, Mini LVDS, PPDS, RSDS (pt-to-pt), SSTL_I (1,8 В), SSTL_II (1,8 В), SSTL (1,5 и 1,35 В), PCI, TMDS;
  2. LVCMOS (1,8; 1,5 и 1,2 В), SSTL_I (1,8 В), SSTL_I_DCI (1,8 В), SSTL_II (1,8 В), SSTL_II_DCI (1,8 В), SSTL_II_T_DCI (1,8 В), DIFF_SSTL_II_T_DCI (1,8 В), DIFF_SSTL_I (1,8 В), DIFF_SSTL_I_DCI (1,8 В), DIFF_SSTL_II (1,8 В), DIFF_SSTL_II_DCI (1,8 В), HSTL_I (1,8; 1,5 и 1,2 В), HSTL_I_DCI (1,8 и 1,5 В), HSTL_II (1,8 и 1,5 В), HSTL_II_DCI (1,8 и 1,5 В), HSTL_II_T_DCI (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_II_T_DCI (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_I (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_I_DCI (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_II (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_II_DCI (1,8 и 1,5 В), LVDCI (1,8 и 1,5 В), HSTLVDCI (1,8 и 1,5 В), LVDCI_DV2 (1,8 и 1,5 В), SSTL (1,5 и 1,35 В), SSTL_DCI (1,5 и 1,35 В), DIFF_SSTL (1,5 и 1,35 В), DIFF_SSTL_dci (1,5 и 1,35 В), DIFF_SSTL_T_DCI (1,5 и 1,35 В).
Варианты быстродействия ПЛИС Варианты быстродействия для коммерческого исполнения -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3
Варианты быстродействия для промышленного исполнения -L1, -1, -2 -L1, -1, -2 -L1, -1, -2 -L1, -1, -2 -L1, -1, -2
Конфигурационная память Объем конфигурационной памяти, Мбит 11,6 23,2 45,1 88,2 122,0

По сравнению с кристаллами программируемой логики серии Artix-7 ПЛИС линейки Kintex-7 обладают более высокой концентрацией секций цифровой обработки сигналов DSP48E1 и модулей двухпортовой блочной памяти Block RAM. Кроме того, каждый кристалл серии Kintex-7 содержит модифицированные последовательные высокоскоростные приемопередатчики RocketIO типа GTX, которые поддерживают скорость приема и передачи данных до 10,3125 Гбит/с. В составе каждой ПЛИС указанной серии присутствует аппаратный модуль интерфейса PCI Express, который соответствует спецификации PCI Express Base Specification Revision 2.1 (Gen1, Gen2) и поддерживает скорости передачи данных 2,5 и 5 Гбит/с соответственно.

Блоки ввода/вывода кристаллов серии Kintex-7 подразделяются на две группы. В первую группу входят блоки ввода/вывода, поддерживающие цифровые сигнальные стандарты с уровнями сигналов до 3,3 В. Ко второй группе относятся блоки ввода/вывода, в которых предусмотрена поддержка только низковольтных цифровых сигнальных стандартов с уровнями сигналов до 1,8 В.

Информация о применяемых разновидностях корпусов для каждого типа кристалла программируемой логики серии Kintex-7, с указанием количества доступных пользовательских выводов, поддерживающих сигнальные стандарты с максимальными уровнями 1,8 и 3,3 В, и последовательных приемопередатчиков RocketIO GTX, приведена в таблице 4.

Таблица 4. Типы корпусного исполнения ПЛИС серии Kintex-7

Тип кристалла Тип корпуса ПЛИС
SBG324 FBG484 FBG676 FBG900 FFG676 FFG900
15×15 мм 23×23 мм 27×27 мм 31×31 мм 27×27 мм 31×31 мм
XC7K30T 4 100 50 4 100 50  
XC7K70T 4 114 50 4 185 100 8 200 100  
XC7K160T 4 185 100 8 250 150 8 250 150
XC7K325T 8 250 150 16 350 150 8 250 150 16 350 150
XC7K410T 8 250 150 16 350 150 8 250 150 16 350 150

Состав и основные характеристики ПЛИС серии Virtex-7

Кристаллы программируемой логики серии Virtex-7 из всей совокупности ПЛИС нового поколения обладают максимальным объемом логических и специализированных аппаратных ресурсов, включающих в себя секции цифровой обработки сигналов, сверхскоростные последовательные приемопередатчики и модули интерфейса PCI Express. Максимальный объем ресурсов различного типа и производительность представителей линейки Virtex-7 более чем в два раза превосходят аналогичные показатели серии Virtex-6 [5–16]. Поэтому кристаллы этой серии могут рассматриваться в качестве перспективной элементной базы для реализации сверхпроизводительных телекоммуникационных устройств и систем.

В составе серии Virtex-7 первоначально планируется выпуск двух семейств ПЛИС — Virtex-7 T и Virtex-7 XT. Наиболее заметные различия в архитектуре кристаллов этих семейств — тип применяемых высокоскоростных последовательных приемопередатчиков и совокупность цифровых сигнальных стандартов, поддерживаемых блоками ввода/вывода. Кроме того, отличия проявляются в функциональных возможностях отдельных блоков, в частности модуля интерфейса PCI Express.

Семейство Virtex-7 T будет представлено шестью типами кристаллов, содержащих от 286 080 до 1 954 560 логических ячеек Logic Cells. Детальная информация об объеме доступных ресурсов различного типа и вариантах быстродействия ПЛИС этого семейства приведена в таблице 5.

Таблица 5. Основные параметры ПЛИС семейства Virtex-7 T

Тип ресурсов ПЛИС Тип кристалла
XC7V285T XC7V450T XC7V585T XC7V855T XC7V1500T XC7V2000T
Логические
ресурсы
Количество секций (Slices) 44 700 70 450 91 050 133 350 229 050 305 400
Общее число триггеров (CLB) 357 600 563 600 728 400 1 066 800 1 832 400 2 443 200
Число логических ячеек (Logic Cells) 286 080 450 880 582 720 853 440 1 465 920 1 954 560
Ресурсы памяти Объем распределенной памяти (1К = 1024 бит) 3475K 5388K 6938K 10 313K 16 163K 21 550K
Количество модулей блочной памяти (Block RAM) емкостью 36 кбит 410 615 795 1155 969 1292
Объем блочной памяти (1К = 1024 бит) (Block RAM) 14 760K 22 140K 28 620K 41 580K 34 884K 46 512K
Модули
синхронизации
Количество блоков управления синхронизацией (Clock Management Tiles, CMT) 14 14 18 18 18 24
Число модулей управления синхронизацией (Mixed-Mode Clock Managers, MMCM) 14 14 18 18 18 24
Встроенные
специализированные
аппаратные
модули
Число аппаратных секций DSP48E1 700 980 1260 1800 1620 2160
Число аппаратных модулей PCI Express 2 3 3 3 3 4
Количество аппаратных блоков HMAC 1 1 1 1 1 1
Число высокоскоростных последовательных приемопередатчиков RocketIO GTX 28 28 36 36 36 36
Количество аналого-цифровых блоков XADC 1 1 1 1 1 1
Ресурсы
ввода/вывода
Максимальное число пользовательских выводов 700 700 850 850 850 1200
Максимальное число дифференциальных пар выводов 336 336 408 408 408 576
Поддерживаемые стандарты сигналов ввода/вывода
  1. LVCMOS (3,3; 2,5; 1,8; 1,5 и 1,2 В), HSTL_I (1,8 и 1,5 В), HSTL_II (1,8 и 1,5 В), Diff_HSTL_I (1,8 и 1,5 В), Diff_HSTL_II (1,8 В), LVDS, Mini LVDS, PPDS, RSDS (pt-to-pt), SSTL_I (1,8 В), SSTL_II (1,8 В), SSTL (1,5 и 1,35 В), PCI, TMDS;
  2. LVCMOS (1,8; 1,5 и 1,2 В), SSTL_I (1,8 В), SSTL_I_DCI (1,8 В), SSTL_II (1,8 В), SSTL_II_DCI (1,8 В), SSTL_II_T_DCI (1,8 В), DIFF_SSTL_II_T_DCI (1,8 В), DIFF_SSTL_I (1,8 В), DIFF_SSTL_I_DCI (1,8 В), DIFF_SSTL_II (1,8 В), DIFF_SSTL_II_DCI (1,8 В), HSTL_I (1,8 В, 1,5 В, 1,2 В), HSTL_I_DCI (1,8 и 1,5 В), HSTL_II (1,8 и 1,5 В), HSTL_II_DCI (1,8 и 1,5 В), HSTL_II_T_DCI (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_II_T_DCI (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_I (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_I_DCI (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_II (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_II_DCI (1,8 и 1,5 В), LVDCI (1,8 и 1,5 В), HSTLVDCI (1,8 и 1,5 В), LVDCI_DV2 (1,8 и 1,5 В), SSTL (1,5 и 1,35 В), SSTL_DCI (1,5 и 1,35 В), DIFF_SSTL (1,5 и 1,35 В), DIFF_SSTL_dci (1,5 и 1,35 В), DIFF_SSTL_T_DCI (1,5 и 1,35 В).
Варианты
быстродействия
ПЛИС
Варианты быстродействия для коммерческого исполнения -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2, -3 -L1, -1, -2 -L1, -1, -2
Варианты быстродействия для промышленного исполнения -L1, -1, -2 -L1, -1, -2 -L1, -1, -2 -L1, -1, -2 -L1, -1 -L1, -1
Конфигурационная
память
Объем конфигурационной памяти, Мбит 75,4 115,4 148,4 214,9 314,4 419,1

В составе всех кристаллов семейства Virtex-7 T используются только модифицированные последовательные высокоскоростные приемопередатчики RocketIO типа GTX, поддерживающие скорости приема и передачи данных до 10,3125 Гбит/с. В составе ПЛИС этого семейства, как и в кристаллах серии Kintex-7, присутствуют блоки ввода/вывода двух видов, отличающиеся совокупностью поддерживаемых цифровых сигнальных стандартов.

Подробные сведения о линейке корпусов для каждого типа ПЛИС семейства Virtex-7 T с указанием количества доступных высокоскоростных последовательных приемопередатчиков RocketIO типа GTX и пользовательских входов/выходов, соответствующих цифровым сигнальным стандартам с максимальными уровнями сигналов 1,8 и 3,3 В, представлены в таблице 6.

Таблица 6. Типы корпусного исполнения ПЛИС семейства Virtex-7 T

Тип кристалла Тип корпуса ПЛИС
FFG 484 FFG 784 FFG1157 FFG1761 FFG1925
23×23 мм 29×29 мм 35×35 мм 42,5×42,5 мм 45×45 мм
XC7V285T 8 0 250 12 50 350 20 0 600 28 50 650
XC7V450T 12 50 350 20 0 600 28 50 650
XC7V585T 20 0 600 36 100 750
XC7V855T 20 0 600 36 100 750
XC7V1500T 20 0 600 36 0 850
XC7V2000T 36 0 850 16 0 1200

Семейство Virtex-7 XT будет также включать в себя шесть типов ПЛИС, которые содержат от 412 160 до 864 000 логических ячеек (Logic Cells). Кристаллы этого семейства отличаются от ПЛИС семейства Virtex-7 T, прежде всего, наличием сверхскоростных последовательных приемопередатчиков RocketIO типа GTH, которые обеспечивают возможность приема и передачи данных со скоростью до 13,1 Гбит/с. В ПЛИС семейства Virtex-7 XT используются различные комбинации последовательных приемопередатчиков GTX и GTH. Таким образом, разработчику предоставляется возможность выбора кристалла с оптимальным сочетанием приемопередатчиков GTX и GTH для реализации проектируемой системы.

Основные параметры ПЛИС семейства Virtex-7 XT, отражающие сведения о количестве доступных логических и специализированных аппаратных ресурсов каждого типа и вариантах быстродействия, содержатся в таблице 7.

Таблица 7. Основные параметры ПЛИС семейства Virtex-7 XT

Тип ресурсов ПЛИС Тип кристалла
XC7VX415T XC7VX485T XC7VX575T XC7VX690T XC7VX850T XC7VX865T
Логические ресурсы Количество секций (Slices) 64 400 75 900 90 000 107 800 133 000 135 000
Общее число триггеров (CLB) 515 200 607 200 720 000 862 400 1 064 000 1 080 000
Число логических ячеек (Logic Cells) 412 160 485 760 576 000 689 920 851 200 864 000
Ресурсы памяти Объем распределенной памяти (1К = 1024 бит) 6525K 8000K 8850K 10 850K 13 125K 13 275K
Количество модулей блочной памяти (Block RAM) емкостью 36 кбит 880 1030 1200 1460 1740 1800
Объем блочной памяти (1К = 1024 бит) (Block RAM) 31 680K 37 080K 43 200K 52 560K 63 360K 64 800K
Модули
синхронизации
Количество блоков управления синхронизацией (Clock Management Tiles, CMT) 12 14 12 20 18 18
Число модулей управления синхронизацией (Mixed-Mode Clock Managers, MMCM) 12 14 12 20 18 18
Встроенные
специализированные
аппаратные модули
Число аппаратных секций DSP48E1 2160 2800 2640 3600 3960 3960
Число аппаратных модулей PCI Express 2 4 4 4
Количество аппаратных блоков HMAC 1 1 1 1 1 1
Число высокоскоростных последовательных приемопередатчиков RocketIO GTX 24 56 56 48
Число высокоскоростных последовательных приемопередатчиков RocketIO GTH 24 48 24 24 72
Количество аналого-цифровых блоков XADC 1 1 1 1 1 1
Ресурсы
ввода/вывода
Максимальное число пользовательских выводов 600 700 600 1000 880 640
Максимальное число дифференциальных пар выводов 288 336 288 480 422 307
Поддерживаемые стандарты сигналов ввода/вывода LVCMOS (1,8; 1,5 и 1,2 В), SSTL_I (1,8 В), SSTL_I_DCI (1,8 В), SSTL_II (1,8 В), SSTL_II_DCI (1,8 В), SSTL_II_T_DCI (1,8 В), DIFF_SSTL_II_T_DCI (1,8 В), DIFF_SSTL_I (1,8 В), DIFF_SSTL_I_DCI (1,8 В), DIFF_SSTL_II (1,8 В), DIFF_SSTL_II_DCI (1,8 В), HSTL_I (1,8; 1,5 и 1,2 В), HSTL_I_DCI (1,8 и 1,5 В), HSTL_II (1,8 и 1,5 В), HSTL_II_DCI (1,8 и 1,5 В), HSTL_II_T_DCI (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_II_T_DCI (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_I (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_I_DCI (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_II (1,8 и 1,5 В), DIFF_HSTL_II_DCI (1,8 и 1,5 В), LVDCI (1,8 и 1,5 В), HSTLVDCI (1,8 и 1,5 В), LVDCI_DV2 (1,8 и 1,5 В), SSTL (1,5 и 1,35 В), SSTL_DCI (1,5 и 1,35 В), DIFF_SSTL (1,5 и 1,35 В), DIFF_SSTL_dci (1,5 и 1,35 В), DIFF_SSTL_T_DCI (1,5 и 1,35 В).
Варианты
быстродействия ПЛИС
Варианты быстродействия для коммерческого исполнения -1, -2, -3 -1, -2, -3 -1, -2 -1, -2, -3 -1, -2 -1, -2
Варианты быстродействия для промышленного исполнения -1, -2 -1, -2 -1 -1, -2 -1 -1
Конфигурационная
память
Объем конфигурационной памяти, Мбит 126,7 150,3 171,8 211,1 258,8 257,7

При ознакомлении с данными, приведенными в указанной таблице, следует обратить внимание на то, что блоки ввода ПЛИС семейства Virtex-7 XT поддерживают только цифровые сигнальные стандарты с максимальными уровнями сигналов до 1,8 В.

Информация о применяемых разновидностях корпусов для ПЛИС семейства Virtex-7 XT, с указанием количества доступных пользовательских выводов и высокоскоростных приемопередатчиков RocketIO типов GTX и GTH, отражена в таблице 8.



Тип кристалла Тип корпуса ПЛИС
FFG1157 FFG1761 FFG1158 FFG1159 FFG1926 FFG1927 FFG1928 FFG1929 FFG1930
35×35 мм 42,5×42,5 мм 35×35 мм 35×35 мм 45×45 мм 45×45 мм 45×45 мм 45×45 мм 45×45 мм
XC7VX415T - - - - - - - - - 24 24 320 24 24 600 - - - - - - - - - - - -
XC7VX485T 20 0 600 28 0 700 48 0 320 - - - - - - - - - - - - 56 0 560 - - -
XC7VX575T - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0 48 600 - - - - - -
XC7VX690T - - - - - - 48 0 320 24 24 320 48 24 640 24 24 880 - - - 56 24 560 28 0 1000
XC7VX850T - - - - - - - - - - - - 48 24 640 24 24 880 - - - - - - - - -
XC7VX865T - - - - - - - - - - - - - - - - - - 640 0 72 - - - - - -

Оптимизация энергопотребления кристаллов программируемой логики серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7

Существенная особенность ПЛИС серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7 — это значительное снижение уровня потребляемой мощности при сохранении и увеличении производительности по сравнению с соответствующими кристаллами предыдущего поколения. Например, использование ПЛИС серии Artix-7 вместо соответствующих кристаллов программируемой логики семейств Spartan-6 позволяет в два раза сократить значение потребляемой мощности, повысив при этом производительность реализуемого устройства на 30%. ПЛИС серии Kintex-7 также позволяют получить двукратный выигрыш в энергопотреблении по сравнению с однотипными кристаллами серии Virtex-6.

Снижение значения потребляемой мощности достигается за счет сочетания различных методов. Прежде всего, уменьшение уровня потребления в статическом режиме обусловлено внедрением нового технологического процесса High-K Metal Gate High-Performance Low-Power Process при производстве кристаллов. Необходимость перехода к новому процессу вызвана тем, что в случае использования вентилей, выполненных на основе традиционной Poly/SiON-технологии, при сокращении технологических норм от 45 до 28 нм и далее начинает значительно возрастать плотность тока, протекающего через вентиль (рис. 3). Применение вентилей, основанных на внедрении HKMG-технологии, позволяет добиться снижения значений этого параметра.



Рис. 3. Изменение плотности тока, протекающего через вентиль, в зависимости от технологических норм при использовании традиционной и HKMG-технологии

Еще одним фактором, оказывающим влияние на сокращение статической и динамической потребляемой мощности, является понижение значения дополнительного питающего напряжения VCCAUX с 2,5 до 1,8 В. Кроме того, в каждой серии ПЛИС нового поколения предусмотрены варианты кристаллов, в которых значение напряжения питания ядра составляет 0,9 В. Дополнительное снижение потребляемой мощности обеспечивает возможность отключения неиспользуемых блоков. Сокращению энергопотребления способствует также поддержка блоками ввода/вывода ПЛИС серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7 низковольтных интерфейсов памяти и режима энергосбережения.

Для уменьшения значения потребляемой мощности в динамическом режиме фирмой Xilinx предложена методика Intelligent Clock Gating, которая основана на реорганизации используемых логических ресурсов в процессе синтеза проектируемого устройства. Динамическая составляющая энергопотребления ПЛИС прямо пропорциональна частоте переключения сигналов реализуемого устройства. Поэтому в процессе синтеза проектов для последующего размещения и трассировки в кристаллах программируемой логики нового поколения будет выполняться дополнительная оптимизация HDL-описания разрабатываемого устройства, направленная на сокращение количества переключений сигналов с высокой частотой. На рис. 4 показано использование методики Intelligent Clock Gating для снижения мощности, потребляемой ПЛИС серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7 в динамическом режиме.



Рис. 4. Использование методики Intelligent Clock Gating для сокращения динамического энергопотребления ПЛИС серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7

Аналого-цифровой блок XADC, применяемый в составе ПЛИС нового поколения

Структура аналого-цифрового бло - ка XADC, входящего в состав кристаллов программируемой логики серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7, изображена на рис. 5. Основу этой структуры образуют два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя (АЦП) и мультиплексор. Кроме того, к рассматриваемому аналого-цифровому блоку относятся внутрикристальные датчики напряжения питания и температуры.



Рис. 5. Структура аналого-цифрового блока XADC, применяемого в составе кристаллов программируемой логики серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7

Аналого-цифровой блок XADC поддерживает 17 внешних входных аналоговых каналов. Коммутация аналоговых сигналов на входы АЦП осуществляется с помощью мультиплексора. Каждый АЦП позволяет выполнять преобразование входного аналогового сигнала с частотой дискретизации 1 млн выборок/с и точностью 0,1%. Таким образом, наличие блока XADC в составе ПЛИС нового поколения позволяет полностью реализовать устройства цифровой обработки низкочастотных сигналов на базе одного кристалла, не используя внешних АЦП.

Новый аналого-цифровой блок XADC, используемый в составе кристаллов программируемой логики серий Artix - 7 , Kintex-7 и Virtex-7, поддерживает также все функции, осуществляемые модулем си- стемного мониторинга (System Monitor), который был представлен в архитектуре ПЛИС семейств Virtex-5 LX, Virtex-5 LXT, Virtex-5 SXT, Virtex-5 FXT, Virtex-5 TXT, Virtex-6 LXT, Virtex-6 SXT и Virtex-6 HXT [5, 14, 27–30]. Он позволяет измерять значение температуры кристалла с точностью ±4 °C и уровни напряжений питания с точностью ±1%. Для быстрой подготовки описаний компонентов устройств цифровой обработки сигналов, реализуемых на базе аппаратного блока XADC, в новой версии системы проектирования Xilinx ISE предусмотрен соответствующий режим «мастера» Architecture Wizard [31].

Аппаратный аналого-цифровой блок XADC можно также применять в составе встраиваемых микропроцессорных систем, выполняемых на базе конфигурируемых 32-разрядных ядер семейства MicroBlaze [32–35] с помощью комплекса средств Xilinx Embedded Development Kit (EDK) [36]. На рис. 6 показан пример встраиваемой микропроцессорной системы, включающей модуль XADC, которая осуществляет регистрацию и обработку значений аналоговых сигналов с последующей передачей результатов вычислений через сетевой интерфейс. Представленная система может быть реализована на базе кристаллов программируемой логики серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7, содержащих более 100 000 логических ячеек.



Рис. 6. Структура встраиваемой микропроцессорной системы, включающей аналого-цифровой блок XADC

Для эффективного использования аналого-цифрового блока XADC в составе встраиваемых микропроцессорных систем, создаваемых на основе новой версии конфигурируемого 32-разрядного ядра семейства MicroBlaze, предусмотрено соответствующее IP-ядро с интерфейсом AXI4-Lite. Структура этого ядра показана на рис. 7.



Рис. 7. Структура IP-ядра, включающего аналого-цифровой блок XADC

Для аналого-цифрового блока XADC предусмотрена возможность осуществления отладочных операций и мониторинга с использованием комплекса средств внутрикристальной отладки цифровых устройств и встраиваемых микропроцессорных систем ChipScope Pro [37].

Новая версия микропроцессорного ядра семейства MicroBlaze для ПЛИС серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7

Представители всех серий нового поколения кристаллов программируемой логики могут эффективно использоваться для реализации встраиваемых микропроцессорных систем, разрабатываемых на основе конфигурируемых 32-разрядных ядер семейства MicroBlaze с помощью комплекса средств Xilinx Embedded Development Kit (EDK). Для этой цели фирма Xilinx предлагает очередную версию ядра MicroBlaze V8, которая будет представлена в двух вариантах. В первом варианте сохранена поддержка интерфейсов Peripheral Local Bus (PLB) v46, Xilinx CacheLink (XCL) и Fast Simplex Link (FSL). Второй вариант основан на использовании протокола AXI (Advanced eXtensible Interface) Protocol. На рис. 8 показаны различия двух вариантов новой версии конфигурируемого микропроцессорного ядра MicroBlaze V8.



Рис. 8. Варианты новой версии конфигурируемого микропроцессорного ядра MicroBlaze V8

Первый вариант новой версии конфигурируемого микропроцессорного ядра MicroBlaze V8 обладает совместимостью по шинным интерфейсам с предыдущей версией и предназначен, прежде всего, для использования в разработанных ранее проектах систем при их реализации на базе кристаллов серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7. Второй вариант рекомендуется для применения в процессе проектирования новых встраиваемых систем. Протокол AXI4, который является частью архитектуры Advanced Microcontroller Bus Architecture (AMBA), отличается более широкими возможностями, гибкостью и повышенной производительностью по сравнению с интерфейсом PLB v46. На рис. 9 показан пример архитектуры встраиваемой микропроцессорной системы, выполненной на основе второго варианта новой версии ядра MicroBlaze V8.



Рис. 9. Пример архитектуры встраиваемой микропроцессорной системы, основанной на использовании интерфейса AXI4

Заключительные замечания

Все характеристики кристаллов программируемой логики нового поколения, приведенные выше, основаны на предварительной информации, представленной фирмой Xilinx. Поэтому для уточнения конкретных параметров ПЛИС серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7 рекомендуется обратиться к официальной документации на эти кристаллы, которая должна появиться в следующем году.

Новое поколение ПЛИС, по всей видимости, не ограничится кристаллами, рассмотренными в этой статье. Еще раньше фирмой Xilinx было анонсировано семейство ПЛИС, производимых по технологии 28 нм, в которых будут применяться встроенные аппаратные микропроцессорные ядра с ARM-архитектурой Cortex-A9. Кроме того, планируется выпуск кристаллов, содержащих сверхскоростные последовательные приемопередатчики RocketIO типа TBD, поддерживающие скорость передачи данных до 28 Гбит/с. Более подробная информация об этих кристаллах будет представлена в последующих публикациях.

Литература

  1. Зотов В. Особенности архитектуры нового поколения высокопроизводительных ПЛИС FPGA фирмы Xilinx серии Virtex-6 // Компоненты и технологии. 2009. № 8.
  2. Зотов В. Особенности архитектуры нового поколения ПЛИС FPGA фирмы Xilinx серии Spartan-6 // Компоненты и технологии. 2009. № 9.
  3. Зотов В. Новое семейство высокопроизводительных ПЛИС с архитектурой FPGA фирмы Xilinx Virtex-6 HXT // Компоненты и технологии. 2010. № 1.
  4. Кузелин М. О., Кнышев Д. А., Зотов В. Ю. Современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx / Справочное пособие. М.: Горячая линия – Телеком, 2004.
  5. Virtex-6 Family Overview. Xilinx, 2009.
  6. Virtex-6 FPGA Configuration User Guide. Xilinx, 2009.
  7. Virtex-6 FPGA SelectIO Resources User Guide. Xilinx, 2009.
  8. Virtex-6 FPGA Clocking Resources User Guide. Xilinx, 2009.
  9. Virtex-6 FPGA Memory Resources User Guide. Xilinx, 2009.
  10. Virtex-6 FPGA Configurable Logic Block User Guide. Xilinx, 2009.
  11. Virtex-6 FPGA GTX Transceivers User Guide. Xilinx, 2009.
  12. Virtex-6 FPGA Embedded Tri-Mode Ethernet MAC User Guide. Xilinx, 2009.
  13. Virtex-6 FPGA DSP48E1 Slice User Guide. Xilinx, 2009.
  14. Virtex-6 FPGA System Monitor User Guide. Xilinx, 2009.
  15. Virtex-6 FPGA Data Sheet: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2009.
  16. Virtex-6 FPGA Packaging and Pinout Specifications. Xilinx, 2009.
  17. Spartan-6 Family Overview. Xilinx, 2009.
  18. Spartan-6 FPGA Configuration User Guide. Xilinx, 2009.
  19. Spartan-6 FPGA SelectIO Resources User Guide. Xilinx, 2009.
  20. Spartan-6 FPGA Clocking Resources User Guide. Xilinx, 2009.
  21. Spartan-6 FPGA Block RAM User Guide. Xilinx, 2009.
  22. Spartan-6 FPGA Configurable Logic Block User Guide. Xilinx, 2009.
  23. Spartan-6 FPGA GTP Transceivers User Guide. Xilinx, 2009.
  24. Spartan-6 FPGA Memory Controller User Guide. Xilinx, 2009.
  25. Spartan-6 FPGA DSP48A1 User Guide. Xilinx, 2009.
  26. Spartan-6 FPGA Data Sheet: DC and Switching Characteristics. Xilinx, 2009.
  27. Virtex-5 Family Overview. Xilinx, 2008.
  28. Virtex-5 FXT Family: Data Sheet. Xilinx, 2008.
  29. Virtex-5 FPGA User Guide. Xilinx, 2008.
  30. Virtex-5 FPGA System Monitor User Guide. Xilinx, 2008.
  31. Зотов В. Разработка компонентов устройств цифровой обработки сигналов, реализуемых на базе аппаратных модулей DSP48E в ПЛИС FPGA серии Virtex-5, с помощью «мастера» Architecture Wizard САПР серии Xilinx ISE // Компоненты и технологии. 2008. № 12. 2009. № 3–7.
  32. Зотов В. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы Xilinx. М.: Горячая линия – Телеком, 2006.
  33. Зотов В. MicroBlaze — семейство 32-разрядных микропроцессорных ядер, реализуемых на основе ПЛИС фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2003. № 9.
  34. Зотов В. Система команд микропроцессорного ядра MicroBlaze // Компоненты и технологии. 2004. № 1–3.
  35. Зотов В. Организация памяти микропроцессорного ядра MicroBlaze // Компоненты и технологии. 2004. № 5.
  36. Зотов В. Embedded Development Kit — система проектирования встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС серий FPGA фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2004. № 4.
  37. Зотов В. Средства внутрикристальной отладки цифровых устройств и встраиваемых микропроцессорных систем, разрабатываемых на базе ПЛИС с архитектурой FPGA фирмы Xilinx-ChipScope Pro // Компоненты и технологии. 2008. № 10.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке