累计阶段

twel2e · 发表于 2021-6-4 13:28

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在新千年的开始，FPGA是数字系统的通用组件。容量和设计规模不断扩大，FPGA在数据通信行业中发现了巨大的市场。二十一世纪初的网络泡沫造成了对低成本的需求。硅片制造的成本和复杂性日益增加，消除了“临时”的ASIC用户。定制芯片对于一个小团队来说成功执行风险太大了。当他们看到他们可以将他们的问题融入到FPGA中时，他们就成了FPGA的客户。

就像在扩张阶段一样，摩尔定律的必然步伐使FPGA变得更大。现在他们比典型的问题大。有能力比所需要的要多，没有什么不好的，但是也没有什么特别的美德。结果，客户不愿意为最大的FPGA支付高额的费用。

仅仅增加产能也不足以保证市场的增长。再看图11，FPGA钟形曲线。由于FPGA容量通过了平均设计尺寸，钟形曲线的峰值，容量的增加承认逐渐减少的应用。几乎可以保证在扩张时期获得成功的产品的尺寸，在接下来的几年里，吸引越来越少的新客户。

FPGA供应商通过两种方式解决了这一挑战。对于低端市场，他们重新关注效率，并生产低容量，低性能的“低成本”FPGA产品系列：Xilinx的Spartan，Altera的Cyclone和Lattice的EC / ECP。

对于高端市场，FPGA供应商希望能够让客户更容易地填满他们宽敞的FPGA。他们为重要功能制作了软逻辑（IP）库。这些软逻辑功能中最值得注意的是微处理器（Xilinx MicroBlaze和Altera Nios），存储器控制器和各种通信协议栈。在以太网MAC在Virtex-4的晶体管上实现之前，它是作为Virtex-II的软核心在LUT中实现的。IP组件的标准接口消耗了额外的LUT，但与节省设计工作量相比，效率不高。

大型的FPGA比一般的ASIC设计更大。到2000年代中期，只有ASIC仿真器需要多芯片分区器。更多的客户有兴趣在一个单一的FPGA上聚合多个可能不相关的组件。赛灵思推出了“互联网可重构逻辑”和FPGA区域划分，允许功能单元动态插入可编程逻辑资源的一个子集。

设计的特点在2000年代发生了变化。大型FPGA承认大型设计是完整的子系统。FPGA用户不再只是简单地实现逻辑;他们需要他们的FPGA设计来遵守系统标准。这些标准主要是信号和协议的通信标准，用于连接外部组件或在内部组件之间通信。由于FPGA在计算密集型应用中的作用越来越大，处理标准也开始适用。随着FPGA成长为客户整体系统逻辑的一小部分，其成本和功耗也相应增长。这些问题比扩张阶段变得更为重要。

遵循标准，降低成本和降低功耗的压力导致了架构战略的转变，从简单地增加可编程逻辑和乘以摩尔定律，如在扩展阶段所做的，到添加专用的逻辑块。这些模块包括大存储器，微处理器，乘法器，灵活的I / O和源同步收发器。由专门设计的晶体管而不是ASIC门构成，它们通常比ASIC的实现效率更高。对于使用它们的应用程序，他们减少了可编程性的面积，性能，功耗和设计工作量。

其结果是“平台FPGA”，从2005年的赛灵思营销幻灯片中捕获到，如图12所示。与图10相比较，不再是数百万门的消息，而是预定义的，性能专用块。甚至“门”这个词也从幻灯片中消失了。这个FPGA不仅仅是LUT，触发器，I / O和可编程路由的集合。它包括乘法器，RAM块，多个Power-PC微处理器，时钟管理，千兆速率源同步收发器和位流加密，以保护设计的IP。FPGA工具不断增长，以实现这一不断增长的实施目标。

为了减轻使用新功能和满足系统标准的负担，FPGA供应商提供了逻辑发生器，通过将其专用功能和软逻辑相结合来构建目标功能。软逻辑的生成器和库为软核和强化处理器上的外设提供了CoreConnect，AXI和其他总线的接口。他们还构建了围绕串行收发器的固定功能物理接口的总线协议逻辑。Xilinx系统生成器和Altera DSP Builder自动化了DSP系统的大部分组装，由固定功能和LUT组合而成。为了简化微处理器系统的创建，赛灵思提供了嵌入式设计套件（EDK），而Altera则发布了其嵌入式系统设计套件（ESDK）。这些功能的演示包括在FPGA处理器上运行的FPGA，在FPGA架构中进行视频压缩和解压缩。

但是，那些不需要固定职能的积累年龄的客户是什么呢？对于不需要Power-PC处理器，存储器或乘法器的客户来说，该块的面积被浪费了，有效地降低了FPGA的成本和速度。起初，FPGA供应商试图确保这些功能可以用于逻辑，如果他们不是主要用途的需要。他们提供了“大型LUT映射”软件，将逻辑移入未使用的RAM块。赛灵思发布了“超级控制器”，将状态机映射到Virtex-II Pro中硬化Power-PC的微处理器代码。但是这些措施最终被认为是不重要的。这表明我们距离发明阶段还有多远，FPGA供应商和客户都只是接受了浪费的领域。Xilinx副总裁表示，他将在FPGA上提供四个Power-PC处理器，并不关心客户是否使用其中任何一个。我们给他们免费的处理器。