针对部分或整个系统的成本优化型 FPGA 和 SoC 产品组合

优化系统成本需要对开发板上的每个芯片器件进行分析,尤其是那些“高价值”组件——无论是 ASSP、ASIC、FPGA 还是 SoC。通用芯片技术一直备受青睐,但是要想真正做到成本优化,系统架构只需合适的特性集——既不能超出所需,又不能达不到设计要求。例如,I/O 扩展器件就没必要达到高信号处理负荷所需的高 DSP 比率,也无需承受高性能收发器的成本。

赛灵思的成本优化型 All Programmable FPGA 和 SoC 产品组合可提供业界独一无二的软硬件灵活性和扩展性。该产品组合用途广泛,包含近期的增强型 Spartan®、Artix® 和 Zynq® 系列,适用于 I/O 连接、高带宽工作负载以及智能分析。

由于无法实现适合所有使用模型的“万能”器件系列,因此为了用于部分或整个系统中,产品系列必须具有不同容量和集成度,每个系列都提供独特的特性集、资源组合以及价格点。同时,可扩展性也很关键,因为设计人员希望能够为当前或下一代平台添加容量和特性集。具体来说,设计人员可能希望:
(1) 自定义一个包含类似终端产品的产品组合,例如优化、中端或高端系列
(2) 确保系统能够满足未来不断变化的需求或不断演进的标准要求
(3) 开发能够共享通用 IP、架构模块或设计流程的不同产品线

有了赛灵思芯片、软件和方法,设计人员的这些需求都能得到满足。

面向工业物联网(IIoT)和嵌入式视觉的可扩展性
成本优化型产品组合适用于广泛的市场,而工业物联网行业尤其能够展示出该产品组合作为可扩展平台的多功能性。

由于工业自动化市场正快速从集中控制转为“边缘计算”,因此工业物联网端点系统经常需要担负起多传感器数据采集的任务,以进行实时控制和下游分析。从机器视觉摄像机到视觉导引机器人等最终应用领域,该产品组合擅长处理多种工作负载,包括任意连接、传感器融合、精度控制、图像处理、系统级安全性与保密性、分析以及云连接。见图 1。

图 1:赛灵思成本优化型产品组合

图 1:赛灵思成本优化型产品组合

具体说明
• 任意连接:由灵活的 I/O 密度和标准支持实现,通过任意网络将任意媒体连接到任意机器上。
• 传感器融合:由灵活的 I/O 密度和模块化生态系统 IP 实现,可在系列之内和系列之间实现可扩展集成。系统设计人员可以自由集成任意数字或模拟传感器,以进行数据采集、汇聚和预处理。
• 精度控制:它的实现得益于所有 FPGA 和 SoC 中的可编程数字逻辑特性。通过硬件加速和大规模并行处理,该产品组合可确保高度同步的实时连接控制。
• 安全性与保密性:通过最新的设计加密标准在硬件和软件上实现,用以防止 IP 窃取,保护处理器驱动的安全引导,以实现最高级别的网络安全。
• 图像处理:在最高的 DSP/ 逻辑比的推动下,该比率在 Artix-7 系列中达到峰值,在所有低成本可编程器件中具有最高信号处理带宽,以增强视频/ 图像质量和处理。
• 分析和云连接:在基于 ARM® 的完整处理子系统的推动下。以及通过集成 FPGA 架构来分担工作负载,实现边缘到云的实时智能化。

器件系列:从“低成本”FPGA 到“低成本”SoC
无论是用作服务器线卡上的接口桥接器,还是工业连接控制单元的核心器件,该产品组合多样化的资源组合都足以让其满足最新的产品
要求以及实现更长期的开发战略。

Spartan-6 FPGA – 现可支持 Windows 10 操作系统
Spartan-6 FPGA 系列针对连接性进行了 I/O 优化,是低成本市场中经过验证的的领衔产品。整个系列都已批量生产,出货数量已达8000 万,可立即用于部署,而且配套提供超过 25 款设计套件和评估板。该系列侧重于原始连接,因此具备同类最佳的 I/O 和外形尺寸特性,包括:
• 最高的 I/O 与逻辑单元比
• 最完整的封装套件
• 最小封装尺寸
• 支持 40 多种协议

图 2:Spartan-6 器件的 ISE 工具套件最新操作系统支持

图 2:Spartan-6 器件的 ISE 工具套件最新操作系统支持

这使其成为理想的桥接和辅助芯片解决方案。Spartan-6 FPGA 系列采用三星 45nm 低功耗(LP) 工艺,其还可作为低成本算法引擎,比
如用于视频或电机控制,可提供极富竞争力的单位功耗性能。

现在,Spartan-6 FPGA 设计工具(ISE® Design Suite) 支持最新的 Windows 10 和 CentOS Linux 操作系统,设计人员可享有现代化设计环
境和操作系统的优势,便于启动新设计。

最新 Spartan-7 FPGA 系列 – 单位功耗性能提升 2.5 倍
最新 Spartan-7 FPGA 系列属于 I/O 优化器件,具有最佳单位功耗性能,达到 Spartan-6 FPGA 的 2.5 倍。该器件基于已量产的 28nm 7系列 FPGA 架构,是赛灵思成本最低的入门级 7 系列 FPGA,功能如下:

  • Spartan 级的连接特性
  • 功耗是 Spartan-6 FPGA 的一半,最大频率(FMAX) 提高 30%
  • 是业界 28nm 器件中尺寸最小的,仅为 8x8mm
  • Vivado® Design Suite 支持大量 IP 目录和 ASIC 级设计流程
  • 图 3:Spartan-7 的单位功耗性能是 Spartan-6 的 2.5 倍

    图 3:Spartan-7 的单位功耗性能是 Spartan-6 的 2.5 倍

    该系列是该产品组合中用于 I/O 桥接的、功能最强、性价比最高的ASIC 或 ASSP 辅助芯片。如果系统需要采用传统处理器,Spartan-7器件能提供最大 I/O 扩展,并对功耗产生的影响最小。不过下一代系统可以更加无缝地迁移到 Zynq SoC,使处理器和同等的 7 系列FPGA 架构能够集成到单个芯片上。

    提供 Vivado Design Suite 支持是 Spartan-7 FPGA 的最大优势之一。该设计套件具有庞大的业经验证的 IP 核库以及可拖放 IP 集成方法。

    同时,该套件具有分析式布局布线引擎,相比此前的工具,利用率高出 20%,并可提供最高结果质量,非常适用于最小型、高性价比器件。

    Artix-7 FPGA – 现推出两款最新低密度器件
    Artix-7 系列针对收发器进行了精心优化,是产品组合中的高带宽 FPGA。它为“低端市场中的高端应用”提供了高性价比选择,否则这些应用就需要采用中端解决方案。该产品在低成本器件中具备最高的收发器线速率和 DSP/ 逻辑比,其关键的性能和带宽指标在产品组合以及整个行业中领先:

  • 多达 16 个 6.6Gb/s 收发器——最高的线速率和汇聚带宽
  • 以最低成本支持关键协议,例如 PCIe Gen2、HDMI、USB 3.0、SATA 3.0、DisplayPort
  • 1,066Mb/s DDR3——最高存储器接口性能
  • 高达 929 的GMAC——最高信号处理带宽
  • 该系列最近增加了两款最新低密度 Artix-7 器件,分别具有 12,000 和 25,000 个逻辑单元,从而能够以更低的成本获得高性能收发器。

    表 1:两款最新低密度 Artix-7 器件降低成本切入点

    表 1:两款最新低密度 Artix-7 器件降低成本切入点

    Zynq-7000 All Programmable SoC – 现采用单核配置
    Zynq-7000 All Programmable SoC 或许是产品组合中功能最多的产品系列,适合于需要分析与智能化并经常运行稳健应用软件和操作系统的应用场合。早期推出的成本优化型 Zynq-7000 器件完美集成了双核 ARM® Cortex™-A9 处理子系统 (PS)和 Artix-7 FPGA 可编程逻辑(PL)。ARM® AMBA® AXI 接口在 PL 与 PS 之间建立了 3000 多个连接——多于“处理器+FPGA”实现方案的互联数量。这样在单个芯片上就能提供 ASSP、FPGA、DSP 和 AMS 功能,更容易将算法任务转给硬件,实现比单独处理器更高的性能。

    图 4:实现处理能力提升途径的最新单核 ARM 配置

    图 4:实现处理能力提升途径的最新单核 ARM 配置

    Zynq-7000 系列中的新增成员是一款单核 Cortex-A9 变体,适合用于不需要双核器件的计算能力或对功耗特别敏感的应用。这样一个很大优势就是提供了处理能力大幅提升途径——从单核到双核成本优化型 Zynq 器件,再到面向下一代系统的中端 Zynq-7000 SoC。不断发展演进的设计方案可以采用统一的代码库,这样得益于:
    • 相同的处理架构和可编程逻辑架构
    • 相同的工具、操作系统和生态系统
    • 处理器和 FPGA 架构的存储一致性

    事实上,系统甚至可从 Zynq-7000 扩展到 ZynqUltraScale+ ™以实现异构多核平台,而且仍然受益于相同的 ARM 代码库和生态系统以及软硬件工具套件。

    具有工具和生态系统的完整平台
    即使最好的芯片,即便有可扩展密度范围和资源组合,如果缺少了合适的工具、方法和第三方生态系统,也不会有太大作为。因为,对成本比较敏感的市场往往面对严峻的上市时间压力(快速设计),而且要采用成本最低的器件,这点尤其关键。

    由于逻辑密度范围大——4K 至 200K 个逻辑单元,因此设计人员能以相同硬件 IP 子系统针对 Spartan-7、Artix-7 和 Zynq-7000 器件,以实现衍生的最终产品。这样就无需针对不同架构迁移相同的设计模块,或者学习不同设计或调试工具,从而避免不必要的时间花费。

    完善的 Vivado Design Suite 是硬件设计师的得力助手,可通过业界首个即插即用型 IP 集成环境简化 IP 核在产品组合内的重用。凭借 IP Integrator,设计人员可以简单直观地从庞大的 IP 目录中构建系统或子系统,或者创建自己的可重用 IP 核。在实现方面,Vivado 提供业界首款分析式布局布线引擎,利用率比前一代提升 20%,因此用户可使用最小型、最低成本的器件。

    为助力嵌入式设计师,赛灵思提供了高层次综合 (HLS) 和 SDx ™ 开发环境,为软件工程师带来熟悉的应用软件开发和运行体验,而且无需 RTL 经验。设计人员可通过点击按钮在硬件中加速所选的 C、C++ 或 OpenCL 功能,并利用工具编译整个 SoC。

    同样重要的还有生态系统。为完成设计,开发人员需要广泛的选择,这通常超出单个供应商的能力范围。凭借 400 多家生态系统合作伙伴,赛灵思客户有广泛的 IP、工具、操作系统、开发套件和设计服务可供选择。

    选择自己的器件系列
    多样化与可扩展——成本优化型产品组合根据所需的使用模型提供多种低成本选择。Spartan 器件具备同类最佳的连接性,Spartan-7 系列是业界单位功耗性能最高的最小尺寸 FPGA。Artix-7 FPGA 是面向高带宽应用的低成本器件;Zynq-7000 SoC 则是一款可扩展的处理平台,非常适合高强度分析和安全云连接。

    表 2 简单给出了各产品系列的资源组合。如需了解更多信息,敬请访问网址: china.xilinx.com/cost-optimized-portfolio .

    表2:产品组合一览表

    表2:产品组合一览表