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小芯片可能會改變FPGAs的一切

2023/1/5 8:32:43

FPGAs在高級數字設計師中廣受歡迎，有助于將定制的中低產量設計快速推向市場，而無需投資ASICs。FPGAs還融合了性能和靈活性，通過重新編程改變功能。制造商們也在用更容易使用的工具進入中檔FPGA領域。但是對于模擬愛好者來說，FPGA之類的可編程性是難以捉摸的。在很大程度上，FPGAs和analog并沒有很好地融合，但隨著新的小芯片技術的出現，這種情況可能開始改變。

這是一個晶體管供電的世界

雖然我不愿意說數字設計很簡單，尤其是在較高的速度下，但一些特性使它比模擬設計更容易管理。模數轉換的動機之一是將信號從模擬域盡快轉換為數字域，從而提高抗噪能力并讓快速數字處理器投入工作。

然而，并不是所有的晶體管都是一樣的。用作數字開關的晶體管可以被硬驅動，盡可能快地在“0”和“1”電平之間轉換。使用晶體管模擬信號存在噪聲、接地環路、電源、非線性和失真、電流消耗、寄生電容和電感等問題。

數字設計往往會被尖端的半導體工藝所吸引，今天的先進節點已經推進到3納米和2納米。微小的幾何形狀允許在一個芯片中裝入更多的晶體管，這在處理復雜的數字處理器內核或大型FPGA時非常方便。更小的幾何尺寸也意味著更低的工作電壓、更低的功耗和更快的時鐘速度。

另一方面，模擬友好型工藝則不那么激進。成熟的混合信號工藝在30納米范圍內；TSMC剛剛宣布了16納米毫米波射頻工藝。因此，由于電壓和電流的差異以及不同的設計規則，在同一芯片上混合模擬和數字電池變得很棘手。這就是為什么代工廠竭盡全力描述工藝設計套件(pdk)，解釋他們提供的不同類型電池的參數。

大量的模擬塊在當時聽起來不錯

大多數支持數字邏輯的FPGAs有四個主要特性：邏輯模塊、存儲模塊、互連和片外數字接口。最后一個功能可能需要晶體管加固以適應更高的電壓水平或額外的電流驅動，但它們仍然是數字開關。

模擬FPGA聽起來是個好主意，除非有人嘗試將其付諸實踐。迄今為止，最接近的嘗試是英飛凌的PSoC家族，該家族來自其對Cypress的收購。PSoC 6實際上是一款微控制器，具有中等性能的A/D、D/A和其他可選的強化模擬模塊，可用于接口。但它不是一個“軟”模擬模塊的海洋，可以按照設計者喜歡的任何方式連接。“街區之海”的想法在哪里遇到了麻煩？
互連：很難創建一種模擬互連，它可以將足夠質量的信號傳送到大型FPGA中的任何一點。開關的走線長度和增加的阻抗會改變行為，并提供易受噪聲和接地環路影響的路徑。
布局：加固模擬單元之所以能夠工作，是因為布局保持緊湊，具有短而平衡的路徑以及適當的電源和接地步驟。如前所述，混合數字和模擬細胞開始以某種方式破壞。
工具：數字仿真工具非常成熟，可以產生出色的結果，甚至可以處理FPGAs常見的時鐘域交叉問題。模擬仿真工具的好壞取決于其中的模型，面對寄生效應、熱效應、電荷俘獲和更多的現實行為，預測可能會很快降級。電路仿真必須與電磁仿真相結合才能獲得好的結果。

小芯片可能會改變FPGAs的一切

這就是英特爾Agilex Direct RF系列FPGAs吸引我的原因。他們使用小芯片方法將64位GSPS模數轉換器集成到FPGA中。小芯片就像它們聽起來的那樣——一個小芯片上的小設計被放到一個更大的芯片上。小芯片可以使用不同的設計規則，甚至是與基礎部件完全不同的工藝技術。混合問題消失了。A/D、PCIe和光學接口在獨立的小芯片中根據各自的優點進行了優化，就像數字FPGAs中的情況一樣。

盡管如此，高性能小芯片比加固的單片模擬單元更容易集成，為更快的采樣速率和更高分辨率的模數轉換器集成到FPGA中打開了大門。

希望在FPGAs中看到更多的小芯片模擬集成，因為模數轉換器在許多子系統設計中很常見，包括傳感器和無線通信。我們可能永遠不會看到完全可編程的模擬FPGA，但模擬集成可以像它幫助前幾代微控制器一樣使FPGA受益。查詢進一步信息，請訪問官方網站