ULC – альтернатива FPGA / CPLD для массового производства

Микросхемы программируемой логики развиваются стремительно, как и все средства электронной и вычеслительной техники: увеличивается сложность, степень интеграции, логическая емкость кристаллов. ULC — это следующий этап развития программируемой логики для массового производства. По своим параметрам (количество вентилей/объем производства микросхем) ULC располагается между FPGA//CPLD и ASIC. Конвертирование уже существующих проектов на основе FPGA//CPLD в ULC позволяет снизить цену применяемого кристалла (в зависимости от типа используемой ранее микросхемы программируемой логики и объема производства) до 80%. Технология ULC была в первые применена фирмой Temic в 1985 году, сейчас этот бизнес принадлежит фирме Atmel. Фирма Atmel уделяет большое внимание технологии ULC и планирует развивать ее в дальнейшем. Особенности технологии ULC рассматриваются в этой статье.

В настоящее время необходимыми условиями сохранения конкурентоспособности высокотехнологичной продукции являются снижение ее цены и сокращение времени выхода новых изделий на рынок.

Использование реконфигурируемых логических микросхем (FPGA и CPLD) на этапе проектирования и опытного производства позволяет разработчику при необходимости быстро вносить изменения в проект практически без временных затрат на макетирование, что существенно сокращает время разработки.

При массовом производстве электронного оборудования важными параметрами являются стоимость, качество, энергопотребление и технологичность. Однако в большинстве проектов ресурсы FPGA/CPLD используются не на 100%. Производитель оборудования вынужден «переплачивать » за неиспользуемые ресурсы FPGA/CPLD, а также за использование конфигурационного ПЗУ (в случае применения FPGA).

Для разрешения этого противоречия фирма Atmel предлагает услугу Ultimate Logic Conversion (ULC), в рамках которой проект, разработанный для FPGA/CPLD, переносится на кристалл ULC (рис.1). При этом достигается повыводная совместимость кристалла ULC с исходным проектом, и, главное — значительно уменьшается себестоимость конечного кристалла (следует сказать, что подобная идея была реализована и другими фирмами, например Clear Logic, однако из-за разногласий с производителями микросхем программируемой логики технология Clear Logic распространения не получила).

К настоящему времени фирма Atmel уже более 17 лет занимается преобразованием проектов для FPGA/CPLD в ULC. Опыт Atmel в этой области деятельности подтверждается успешным преобразованием более 1500 проектов (рис.2 и таблица 1).

Помимо конвертирования FPGA/CPLD, в ULC может быть произведено объединение нескольких проектов в одну микросхему, конвертированы устаревшие ASIC, добавлены новые функции, например JTAG-интерфейс и блок граничного сканирования.

В ULC могут применяться следующие IP-ядра фирмы Atmel: микроконтроллерное ядро 8051, интерфейс PCI 32/64, контроллеры CAN и USB, HDLC-приемопередатчики, APCM-кодеки, ШИМ, блоки быстрого преобразования Фурье (FFT), декодеры Витерби, блоки подсчета избыточной циклической контрольной суммы (CRC).

Встраиваемые в кристаллы ULC блоки умножения частоты (PLL/DLL) полностью совместимы с узлами PLL/DLL, применяемыми в FPGA фирм Altera и Xilinx.

Технология ULC поддерживает все блоки двухпортовой статической памяти (DPRAM) как фирм Altera и Xilinx, так и других фирм (Actel, Quicklogic и т.д.). Выполнение кристаллов ULC по различным проектным нормам позволяет создавать устройства различной сложности:

• Проектная норма 0,35 мкм позволяет получить до 390 кбит DPRAM и 780 тыс.эквивалентных вентилей на кристалле;
• Проектная норма 0,25 мкм позволяет получить до 1380 кбит DPRAM и 1500 тыс. эквивалентных вентилей на кристалле;
• Проектная норма 0,18 мкм позволяет получить до 1730 кбит DPRAM и 2900 тыс. эквивалентных вентилей на кристалле.

Развитие технологии ULC отражено на рис.3.

По сравнению с FPGA Apex фирмы Altera и Virtex фирмы Xilinx, кристаллы ULC отличаются меньшей статической потребляемой мощностью (на 70%) и меньшей динамической потребляемой мощностью (на 30%).

Конвертирование проекта на основе FPGA/CPLD в ULC осуществляется в технических центрах фирмы Atmel при минимальном участии специалистов заказчика. Используемая Atmel современная технология проектирования «Verify-before-silicon » позволяет в результате преобразования проекта получить гарантированно работоспособную микросхему ULC.

При получении исходного запроса на конвертирование компания Atmel проводит анализ технической осуществимости каждого проекта: определяется размер кристалла, корпус и время, необходимое для преобразования, а также решаются возникающие технические вопросы с заказчиком. Для анализа технической осуществимости Atmel необходимы следующие документы: файлы проекта в формате edif или на языках Verilog, VHDL и т.п., тестовые вектора и цоколевка микросхемы (рис.4).

После конвертирования проекта Atmel выпускает несколько образцов кристаллов ULC и передает их заказчику для тестирования. Если полученные заказчиком образцы ULC не работают в конечном изделии, то никаких финансовых обязательств на заказчика не налагается. То есть, если предоставленный фирмой Atmel кристалл ULC не работает, заказчику не нужно платить вообще. Если же предоставленные образцы работоспособны, то после получения подтверждения заказчика Atmel запускает серийное производство.

Для обеспечения высокого качества фирма Atmel осуществляет 100% тестирование выпускаемых кристаллов ULC.

Если заказчик осуществляет закупку ULC в больших объемах, то при заказе более пятидесяти тысяч микросхем, выполняемых по проектным нормам 0,35 и 0,5 мкм, фирма Atmel предоставляет возможность производить корректировку проекта для реализации новых усовершенствованных ULC (для того, чтобы конечное изделие оставалось конкурентоспособным). При этом дополнительных невозвратимых расходов (NRE)заказчик не несет.

Как уже говорилось, в большинстве проектов на основе FPGA/CPLD конфигурируемые ресурсы используются всего на 50% от общей площади кремниевого кристалла. При преобразовании проекта в ULC неиспользуемые конфигурируемые ресурсы «удаляются », и за счет этого уменьшается площадь кристалла. Это, в свою очередь, позволяет улучшить характеристики энергопотребления и уменьшить стоимость кристалла. Также возможна опрессовка полученного кристалла ULC в более компактный корпус (рис.5), что позволяет добиться улучшения массо-габаритных характеристик выпускаемых на основе микросхем ULC устройств.

В микросхемы ULC могут встраиваться драйверы ввода-вывода, совместимые с уровнями CMOS, TTL, LVCMOS, LVTTL, PECL, PCI (33/66 МГц), GTL/GTL+, HSTL, SSTL2, SSTL3, CCT, AGP, LVDS.

Кристаллы ULC выпускаются с напряжениями питания 1,8, 2,5, 3,3 и 5 В. При этом линии ввода-вывода микросхем с напряжением питания 3,3 В совместимы с уровнями напряжения 5 В, а для микросхем с напряжением питания 2,5 В — с уровнями напряжения 3,3 В.

Кристаллы ULC опрессовываются в корпуса различных типов (CQFP, PQFP, TQFP, VQFP, JLCC, PLCC, PBGA, SOIC, TSOP, PDIP и т.д.) с количеством выводов от 100 до 1156 и размерами от 11×11 мм до 35×35 мм. Кроме того, в настоящее время микросхемы ULC могут выпускаться и в корпусах типа BGA с малым шагом выводов (1 мм), аналогичных применяемым фирмами Xilinx и Altera.

В заключение выделим основные преимущества использования технологии ULC:

• Снижение себестоимости микросхем за счет уменьшения площади кристалла.
• Улучшение массо-габаритных характеристик и характеристик энергопотребления.
• По желанию заказчика — повыводная совместимость с применяемыми ранее кристаллами или опрессовка в корпуса других типов, в том числе и меньшего размера.
• Минимальное участие технических специалистов заказчика.
• Отсутствие финансовых рисков: оплата только работающих микросхем.