【導讀】閃存FPGA不僅僅是一個可配置的系統門，同時還兼具多種功能，例如降低系統成本和功率、提高邏輯利用率、縮減系統設計時間等，能夠在節(jié)省時間的情況下，靈活的提供最佳性能。本文就來詳述節(jié)能、靈活性強的閃存FPGA。
為何使用閃存工藝?
在許多應用中，基于SRAM的FPGA器件也能夠提供與基于閃存的FPGA相似的特性和功能。然而，由于這些FPGA使用SRAM單元來保持配置模式，當電源消失時，配置模式也消失了；在電源恢復時，系統必需重新載入配置模式，通常經由一個串行接口，這可能要花數十或數百毫秒的時間。
另一方面，在基于閃存的FPGA中，配置模式保存在芯片上的非易失性存儲器單元，甚至電源被移除時，閃存單元中的內容仍然保持完好無缺；當系統重新啟動時，FPGA可在數微秒內上電，節(jié)省了寶貴的時間，可讓系統快速從電源故障或者重新啟動中恢復。
過去，基于閃存的FPGA在密度、性能和片上特性，比如處理器內核、高速I/O通道和其它需要高密度的功能方面，也都落后于基于SRAM的器件。這種落后主要是由于縮減閃存單元的所需的挑戰(zhàn)，通常閃存單元需要的尺寸超過了芯片上其余SRAM邏輯組件。更大的尺寸帶來更低的性能，并且無法在FPGA上集成高性能處理器內核和其它功能。
然而，工藝技術的進步現在可讓FPGA設計人員縮減閃存配置單元的尺寸，并且將它們集成進先進的邏輯工藝中，推動基于閃存的高性能FPGA提供不下于SRAMFPGA，甚至更加優(yōu)越的特性和功能，并且通常具有更低的系統成本。此外，由于無需外部配置存儲器，基于閃存的陣列器件具有更小的系統占位面積，并且消耗更少功率。
閃存技術已從專用工藝變成了主流工藝，使得基于閃存的FPGA器件可以在成本敏感的市場上進行競爭，同時提供超過150KLE的邏輯密度(圖1)。閃存FPGA的集成功能還提供了可以幫助減少系統復雜性、降低系統功率和減少總體系統成本的系統級解決方案。
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圖2簡明比較了閃存FPGA與相近密度SRAMFPGA器件之集成特性。
圖2：閃存FPGA與SRAMFPGA的集成特性比較(用于少于150KLE的器件)
雖然，基于閃存的FPGA和同等密度的基于SRAM的FPGA有許多共同之處，但除了閃存或SRAM配置性的不同之外，兩者之間還有許多顯著的特性區(qū)別，主要是I/O引腳的數目、SERDES通道的數目，以及基于閃存的FPGA加入了高性能存儲器子系統及嵌入式安全功能，包括AES256或SHA256加密/解密功能。
對于中等密度范圍器件，設計人員在特性、I/O引腳，以及封裝選項方面擁有豐富選擇，能夠滿足任何一個系統需求。然而，不同的產品系列提供不同的特性組合，因而沒有一個產品系列可以解決每一個系統需求。對于幫助設計人員降低系統復雜性的嵌入式系統支持功能，也有同樣情況。許多基于閃存和基于SRAM的FPGA器件均擁有相同的功能，比如PCIe端點、SRAM模塊、DSP模塊(可配置乘法器-累加器功能)等片上功能，以及可編程的邏輯模塊。
然而，更多的獨特功能，比如嵌入式處理器、存儲控制器、多千兆位/秒SERDES端口，以及專用的數據保密/解密支持，則限于個別器件。
有功和待機模式下的功耗，通常是選擇FPGA的決定性因素，尤其是如果最終系統必需在低功率模式下運作，或者在停電時必需以備份電池工作盡可能長的時間。
功率需求
圖3顯示了FPGA器件在系統啟動和連續(xù)工作期間的不同運行模式。對比基于SRAM的FPGA器件，基于閃存的器件提供了諸多的節(jié)能優(yōu)勢，這是由于它們無涌入功率和配置功率，因此能夠以顯著低于SRAMFPGA器件的運行功率運作。
圖3:功率考慮因素：SRAMFPGA對比閃存FPGA
不斷增長的連接性迫使設計人員更努力保持系統安全性，以防止黑客攻擊及提供經由互聯網與其它系統安全通信的能力。
然而，一個系統一旦連接至互聯網便會成為黑客的目標，黑客可能會試圖通過下載新的配置數據來損壞系統。為了防止這種情況發(fā)生，現在一些FPGA器件加入了安全子系統，確保僅有獲授權的配置代碼或控制程序會被載入和執(zhí)行，這個過程稱作“安全啟動”?，F在一些內置對策可防止物理攻擊，比如防篡改和存儲器的歸零化，基于閃存的FPGA器件可以使用片上的安全快閃存儲來保密密匙和關鍵數據。
今天的FPGA器件可以加入硬線系統安全模塊以執(zhí)行NIST認證的AES256、SHA256和橢圓曲線加密算法，以期提供實時加密/解密。此外，還可以加入隨機數發(fā)生器和物理不可克隆功能(PUF)。PUF可以用于在公匙基礎設施(PKI)方案中生成私匙，僅為設備知曉，從而簡化用戶密匙管理；當然，隨機數字也廣泛用于密碼協議。今天以安全為中心的SoCFPGA可以僅由獲授權的加密位流來編程。某些設計人員會集成行業(yè)標準微控制器和子系統與內置安全功能。
今天FPGA器件的許多其它特性為網絡和數據通信市場應用提供了系統解決方案。例如，加入片上每秒5千兆位SERDES端口和多個PCIe串行接口以作為高帶寬接口，用于XAUI/XGXS和其它高速網絡接口等應用。通過加入足夠的通用I/O引腳，今天的FPGA器件還提供了必需的I/O引腳與內核邏輯比率，從而確保設計人員無需選擇超過需求的尺寸較大FPGA器件來獲得更高的I/O數目。最終，充足的靜態(tài)RAM和嵌入式非易失性存儲器(至少5兆位SRAM和4兆位eNVM)為設計人員提供了充足的存儲以保存寄存器文件、高速緩存和緩沖存儲，加上集成DSP模塊，可讓FPGA器件實施復雜的信號處理算法和網絡協議，處理數據包檢查，以及其它網絡功能。
基于閃存的FPGA提供了廣泛的功能，可讓設計人員創(chuàng)建高集成度系統解決方案以降低系統成本、最小化印刷電路板面積和功率需求，并且提供超過SRAMFPGA的性能優(yōu)勢。
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