Cyclone III FPGA: 一个空前的功耗,功能和成本的完美结合 无限可能
您的设计构思有极大的发展潜力——如果您能够以合适的价格迅速实施这些构思。
您将发现Altera的第三代低成本FPGA —— Cyclone III 器件系列非常适合对成本敏感的大批量应用,例如：
- 无线通信
- 视频和图像处理
- 显示
- 汽车
- 军事
Cyclone III FPGA前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能,大大提高了您的竞争优势。
Cyclone III FPGA采用台湾半导体生产公司(TSMC)的65-nm低功耗(LP)工艺技术进行生产,以低于ASIC的价格 实现了低功耗。
Cyclone III 器件系列简介
低成本Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代产品。Cyclone III FPGA系列前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能,进一步扩展了FPGA在成本敏感大批量领域中的应用。
采用台湾半导体生产公司(TSMC)的65-nm低功耗(LP)工艺技术,Cyclone III 器件对芯片和软件采取了更多的优化措施,在所有65-nm FPGA中是功耗最低的,在对成本和功耗敏感的大量应用中,提供丰富的特性推动宽带并行处理的发展。
Cyclone III 系列包括8个型号,容量在5K至120K逻辑单元(LE)之间,最多534个用户I/O引脚。如表1所示,Cyclone III 器件具有4-Mbit嵌入式存储器、288个嵌入式18x18乘法器、专用外部存储器接口电路、锁相环(PLL)以及高速差分I/O等。
Cyclone III 系列提供了大范围的器件和封装选项,以便支持各种各样对成本敏感和大容量的应用.
表 1. Cyclone III FPGA 简介 |
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器件 |
EP3C5 | EP3C10 | EP3C16 | EP3C25 | EP3C40 | EP3C55 | EP3C80 | EP3C120 | ||
| 逻辑单元 | 5,136 | 10,320 | 15,408 | 24,624 | 39,600 | 55,856 | 81,264 | 119,088 | ||
| M9K 嵌入式存储器模块 | 46 | 46 | 56 | 66 | 126 | 260 | 305 | 432 | ||
| RAM 总容量 (Kbits) | 424 | 424 | 516 | 608 | 1,161 | 2,396 | 2,811 | 3,981 | ||
| 嵌入式18x18乘法器 | 23 | 23 | 56 | 66 | 126 | 156 | 244 | 288 | ||
| PLL | 2 | 2 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | ||
| 最大用户I/O引脚数量 | 181 | 181 | 345 | 214 | 534 | 376 | 428 | 530 | ||
| 差分通道 | 70 | 70 | 140 | 83 | 227 | 163 | 181 | 233 | ||
| 供货时间 | 2007年第三季度 | 2007年第三季度 | 2007年第四季度 | 现在 (ES) | 2007年第三季度 | 2007年第四季度 | 2007年第四季度 | 2007年第四季度 | 2007年第二季度 (ES) | 2007年第四季度 |
表1的注释：
- M9K 存储器模块支持每模块 9,216 比特 ( 包括校验位 )
As shown in Table 2, the Cyclone III device family is available in eight different package options with support for low cost and small form factor packages.
| 表 2. Cyclone III 器件封装和最大用户 I/O 数量 | ||||||||
器件/封装 (mm x mm) |
144 引脚 EQFP (22 x 22) | 240 引脚 PQFP (32 x 32) | 256 引脚 FBGA (17 x 17) | 256 引脚 UBGA (14 x 14) | 324 引脚 FBGA (19 x 19) | 484 引脚 FBGA (23 x 23) | 484 引脚 UBGA (19 x 19) | 780 引脚 UBGA (29 x 29) |
| EP3C5 | 94 | - | 182 | 182 | - | - | - | - |
| EP3C10 | 94 | - | 182 | 182 | - | - | - | - |
| EP3C16 | 84 | 160 | 168 | 168 | - | 346 | 346 | - |
| EP3C25 | 82 | 148 | 156 | 156 | 215 | - | - | - |
| EP3C40 | - | 128 | - | - | 195 | 331 | 331 | 535 |
| EP3C55 | - | - | - | - | - | 327 | 327 | 377 |
| EP3C80 | - | - | - | - | - | 295 | 295 | 429 |
| EP3C120 | - | - | - | - | - | 283 | - | 531 |
表 2 的注释：
- 深色表示纵向移植
- EQFP =增强薄型四方扁平封装
- PQFP = 塑料四方扁平封装
- FBGA = 精细球栅阵列 (1.0 mm 间距)
- UBGA = 超精细球栅阵列 (0.8 mm 间距)
- F780封装的EP3C40支持严格的纵向移植
| 表 3. Cyclone III 系列速率等级 | ||||||||
| 器件 | 144 引脚 EQFP | 240 引脚 PQFP | 256 引脚 FBGA | 256 引脚 UBGA | 324 引脚 FBGA | 484 引脚 FBGA | 484 引脚 UBGA | 780 引脚 FBGA |
| EP3C5 | -7, -8 | - | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 | - | - | - | - |
| EP3C10 | -7, -8 | - | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 | - | - | - | - |
| EP3C16 | -7, -8 | -8 | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 | - | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 | - |
| EP3C25 | -7, -8 | -8 | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 | - | - | - |
| EP3C40 | - | -8 | - | - | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 |
| EP3C55 | - | - | - | - | - | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 |
| EP3C80 | - | - | - | - | - | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 | -6, -7, -8 |
| EP3C120 | - | - | - | - | - | -7, -8 | - | -7, -8 |
表3的注释：
- Cyclone III 器件可提供三种速率等级,-6 最快。
- 对于Cyclone III 器件,Altera的方针是核fMAX 的变化在每个速率等级中是15%到20%
Cyclone III器件系列体系结构
Cyclone III系列65-nm FPGA前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能。其体系结构包括高达120K的垂直排列逻辑单元(LE)、以9-Kbit (M9K)模块构成的4Mbits嵌入式存储器、嵌入式乘法器以及被I/O单元(IOE)围绕的锁相环,如图1所示。高效互联和低斜移时钟网络为时钟和数据信号结构提供连接。
图1. Cyclone III 平面布置
| 关键特性 | 互联 |
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Cyclone III FPGAs— 为低功耗而优化
Altera的Cyclone III FPGA是功耗最低的 65-nm FPGA。 Cyclone III 系列是首次实现静态功耗低于0.5瓦,而逻辑单元(LE)数量高达120,000的FPGA。
了解Altera在实现低功耗65-nm FPGA上的投入：
- Cyclone III 的功耗
- 低功耗的优势——不仅仅是更长的电池使用时间
- Altera 是怎样在 Cyclone III FPGA 上实现低功耗的
- 精确的功耗估算和优化
Cyclone III 的功耗
图 1 所示为Cyclone III 系列FPGA在不同工作频率时的典型动态功耗。在具有代表性的工作频率点,例如20MHz,容量最大的Cyclone III 器件——120K LE EP3C120,动态功耗小于600mW。即使在工作频率高达100MHz时,EP3C120的动态功耗也小于2瓦。
图 1. Cyclone III FPGA的典型动态功耗
如果不采取措施来降低功耗,65-nm半导体工艺的静态功耗会显著增加。亚微米工艺的静态功耗之所以增加,主要原因在于泄漏电流的增大,包括 65-nm 工艺较薄的逻辑门氧化层之间的隧道电流,以及亚阈值泄漏 (沟道至源极和漏极至源极电流) 等。Altera采取了重要措施来降低 Cyclone III 的静态功耗,在下面的“芯片和体系结构优化”一节中进行阐述。
图 2 所示为 Cyclone III 器件在 25°C 和 85°C 时的静态功耗。容量最小的Cyclone III 器件在 25°C 时静态功耗只有35mW,容量最大的Cyclone III 器件在 85°C 时静态功耗只有 170mW 。
图 2. Cyclone III FPGA的典型静态功耗
低功耗的优势
降低可编程逻辑器件的功耗对大量的应用有明显的好处,这些应用包括：
- 便携式或者手持式电池供电的设备
- 空间受限以及其他散热困难的环境
- 价格敏感的应用,采用制冷系统成本较高。
Cyclone III 系列充分展示了 Altera 在低功耗 FPGA 上的领先优势。结合最全面的体系结构和芯片增强技术,以及最新的半导体工艺技术和为客户提供的完整的功耗管理工具, Altera 的努力得到了回报——与 90nm Cyclone II FPGA 相比,功耗降低了 50 %,在所有可比较的 FPGA 中,其功耗是最低的。
芯片和体系结构优化
Cyclone III FPGA 采用台湾半导体生产公司 (TSMC) 的 65-nm 低功耗 (LP) 工艺技术生产,其他的主要半导体生产商也在小型器件中采用了该技术。高级工艺以及体系结构优化技术降低了工艺尺寸,减小了动态和静态功耗,与 90nm Cyclone II 器件相比, Cyclone III 器件的总功耗降低了 30%。 Altera 在 Cyclone III 器件上采用的工艺和体系结构改进技术包括使用低K 绝缘、可变沟道长度和氧化层厚度,以及多晶体管阈值电压等。
精确的功耗估算和分析
从设计构思到产品实现, Altera 采用最精确和最全面的功耗管理设计工具,支持功耗估算和分析。 Altera 重视功耗分析的精确性,是唯一能够利用工具包在低成本系列中进行 85°C 和最差情况下芯片功耗估算的可编程逻辑供应商。 Altera 提供以下功耗估算和分析资源：
- Cyclone III 早期功耗估算器
- Quartus II PowerPlay 功耗分析和优化技术
- 功耗管理资源中心
设计人员可以在设计构思阶段使用 PowerPlay 早期功耗估算器 (EPE) ,在设计实现阶段使用 PowerPlay 功耗分析器。 PowerPlay EPE 是基于表单的分析工具,根据器件和封装选项、工作条件以及器件占用情况进行早期功耗分析。
PowerPlay 功耗分析器不仅仅是非常详细的功耗分析工具,它采用实际的设计布局布线和逻辑配置,以及仿真波形来精确地估算动态功耗。总体上,功耗分析器利用正确的设计信息,精度一般能达到 ±10%。 Quartus II PowerPlay 功耗模型与实际的芯片测量模型非常接近。 Altera 使用 5,000 多种不同的测试配置来测量 Cyclone 系列各个元件的功耗。每一配置重点关注测量 FPGA 在特殊配置下的某个电路组成。
Quartus II 功耗优化
详细的设计实施能够提高性能,减小尺寸,降低功耗。以前,通过布局布线设计流程,在寄存器传送级 (RTL) 自动对性能和尺寸进行平衡。 Altera 在设计流程中考虑功耗优化方面处于领先地位。 Quartus II PowerPlay 优化工具自动利用 Cyclone III 的体系结构来进一步降低功耗,与 Cyclone II 器件相比,功耗降低了20%。另外,芯片和体系结构优化技术降低了30%的功耗,与 90nm Cyclone II FPGA 相比,最终降低了50%的功耗。
Quartus II 软件许多自动功耗优化措施对设计人员而言都是透明的,提供 FPGA 体系结构详细的占用情况来帮助降低功耗,包括：
- 变换主要功能模块
- 映射用户 RAM ,降低其功耗。
- 重构逻辑以降低动态功耗
- 正确选择逻辑输入,减小高触发网络的电容。
- 降低内核逻辑的面积和连线要求,以减小布线的动态功耗。
- 修改布局以降低时钟功耗
Cyclone III最终市场应用
Cyclone III FPGA前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能. Cyclone III FPGA还包括了一些特征和增强作用,IP支持以及其他设计资源以便在一些特别的应用程序领域得到优化.