Xilinx 7系列FPGA介绍

Xilinx 7系列FPGA概览

文章目录

Xilinx 7系列FPGA概览

1.Xilinx的四个工艺级别

2.Virtex、Kintex、Artix和Spartan

3.7系列特点

4.7系列命名规则

5.7系列资源概括

1.Xilinx的四个工艺级别

Xilinx目前主要产品有四个工艺等级，通常情况下，Xilinx的产品每个工艺都会有Spartan、Artix、Kintex和Virtex四个族，如下图所示。

  其中45nm工艺的产品Spartan6在国内目前应用还是比较广的，可能因为Xilinx高端芯片对国内“”，其余产品均已“下架”，随着2017年5月11日Xilinx官方宣布Spartan7进入量产阶段，Spartan7可能会逐渐取代Spartan6的地位，成为国内Xilinx产品的新代表。

28nm工艺的7系列芯片是Xilinx目前主推的产品，另外，尽管早在一年多以前的2016年10月13日，Xilinx官方就已经宣布了16nm的FPGA已经进入了量产阶段，但是到现在为止，20nm和16nm工艺的FPGA还是只存在与“传说中”。

2.Virtex、Kintex、Artix和Spartan

接下来简单介绍下，这几个系列主要的特点。
  Virtex系列的器件不仅代表着Xilinx的最高水准，往往也是整个FPGA业界最好的器件。这个系列的器件一般应用于高速联网（10G~100G）、便携雷达和ASIC原型验证等领域，这些领域的特点是对资源数量和性能要求高，但是对功耗和成本不怎么敏感。

Kintex系列器件相对于Virtex系列器件在成本和功耗上做出了一定程度的让步，在成本、性能和功耗之间达成了一个相对比较好的平衡，但是成本依旧比较高。Kintex器件一般应用于3G/4G无线通信、显示和Video IO Over等领域。

Artix系列器件在尽可能不降低性能和资源数量的情况下大幅降低了器件成本，国内医疗设备和军工行业用这个系列器件用的比较多。

Spartan系列器件的性能和资源数量都远不如前面三个系列，但是胜在价格便宜，所以这个系列的器件在消费电子、汽车电子和工业领域的应用相对比较广泛。值得一提的是，Spartan系列器件的性能要比友商Altera的Cyclone系列（跟Spartan对标）高出不少，比如说，Spartan6是支持DDR3的，但是在其之后很晚才面试的Cyclone10全系类都不支持DDR3。

3.7系列特点

PS:本部分应该是没有什么参考价值。

特点1 业界性价比之王
2012年赛灵思的最新7系列FPGA芯片包括3个子系列，Artix-7、 Kintex-7和Virtex-7。在介绍芯片之前，先看看三个子系列芯片的介绍表，如下表1所示：
           表1 全新Xilinx FPGA 7系列子系列介绍表

(1) Artix-7 FPGA系列——业界最低功耗和最低成本

通过表1我们不难得出以下结论：与上一代 FPGA相比，其功耗降低了50%，成本削减了35%，性能提高30%，占用面积缩减了50%，赛灵思FPGA芯片在升级中，功耗和性能平衡得非常好。

(2)Kintex-7 FPGA 系列——业界最佳性价比

堪称“业界性价比之王”的Kintex-7 FPGA 系列，能以不到一半的价格获得Virtex-6系列 FPGA的性能，性价比翻一番，而且功耗减少一半，为高端功能提供了平衡优化的配置。

(3)Virtex-7 FPGA 系列——业界最高系统性能和容量

与Virtex-6 FPGA相比，Virtex-7系列的系统性能翻了一番、功耗降低一半、速度提升30%、其重点在于容量扩大2.5倍、多达200万个逻辑单元、串行宽带达1.9Tbps、线速高达28Gbps、其EasyPath降低成本解决方案，从而将这一业界最成功的 FPGA 架构推到了全新的高度。

特点2 全新Xilinx 7 系列FPGA芯片优势全析

(1)总体优势分析

全新Xilinx 7 系列FPGA芯片不仅在帮助客户降低功耗、降低成本方面取得新突破，而且还具备高容量、高性能以及可移植性强等优点。下图可以看出降低功耗对FPGA的重要性。下表也表明赛灵思7系列FPGA具有高度的可扩展性，可实现不同的系统性能水平。

表2 赛灵思7系列FPGA具有高度的可扩展性，可实现不同的系统性能水平

三个子系列均采用台积电和三星HKMG(高介金属闸)高性能低功耗工艺开发，在性能、工耗、成本方面比上代产品均有大幅改进。全新Xilinx 7 系列FPGA芯片，在功耗、性能和设计可移植性方面都取得了重大进展。
  新系列产品采用针对低功耗高性能精心优化的28 nm 工艺技术，能实现出色的生产率，解决 ASIC 和 ASSP 等其他方法开发成本过高、过于复杂且不够灵活的问题，使 FPGA平台能够满足日益多样化的设计群体的需求。28nm 工艺和设计创新突破性地将功耗降低了50%。统一架构保存了 IP 投资，加快了设计移植。这些 FPGA 系列是 Xilinx 新一代、领域优化和特定市场专用目标设计平台的基础。从以下图表我们可以看出通过降低功耗的方法可提高容量与功能：该表说明功耗降低一半可以使得可用性能和容量提升;优化的硬模块可将功耗降低25% 以上。

此外，全新Xilinx 7 系列FPGA芯片还有一个很大的特色，那就是三个子系列的架构完全统一。这个统一的架构其实基于Virtex-6，从这三个子系列的任意一款都可以很轻易地转移到另一款的开发，高中低端之间的转换可以随时进行，设计方案可根据需要收放。如下图所示，主要现在三个方面：均为降低功耗和提高性价比而优化;通用的逻辑单元、BRAM、接口;轻松实现设计扩展。

比如用同一个IP，既可以开发高端售货机又可以转而开发低端手持设备。这个特性极大地帮助厂商提高生产效率，他们不需要对每代产品进行高昂的IP和方案重设计，而能快速地扩展产品，满足相邻市场的需求。当然，对于希望利用最新7系列 FPGA 进一步实现节能或提高系统性能和容量的客户来说，他们可以先用 Virtex-6 和 Spartan-6 FPGA 进行设计，然后在时机成熟时将设计方案进行移植。
(2)芯片优势分析
(1)Artex-7 系列

a. 以低功耗、低成本为特色，它比Spartan-6速度快30%，功耗低一半，价格降低35%;

b. 利用基于Virtex系列架构的FPGA能够满足成本敏感型、大批量市场的性能要求;

c.利用内置式 Gen1x4 PCI Express 技术实现3.75Gpbs 串行连接功能;

d.丝焊芯片级BGA封装，实现了小型化和低成本;

能满足电池供电的便携式超声波设备的低功耗高性能需求

能满足商用数码相机镜头控制的小型、低功耗要求

能满足军用航空电子和通信设备严格的 SWAP-C(大小、重量、功耗和成本)要求

e.尺寸、重量和功耗特性都特别符合手持式应用的要求，如便携式超声波、数字照相机控制和软件定义无线电。
(2)Kintex-7 系列

a. 标榜业界最高系统性能和容量，密度达到200万个逻辑单元，比所有以前和现有的FPGA高出2.5倍

b. 与Virtex-6相比，Virtex-7的系统性能番了一倍，功耗降低一半，速度提升了30%，是7系列中最高端的子系列;

c. 可提供诸如大批量 10G 光学有线通信设备等各种应用所需的高性能 10.3Gbps 或低成本优化的 6.5Gbps
串行连接性、存储器和逻辑性能

d.实现了信号处理性能、功耗和成本的最佳平衡，能支持长期演进 (LTE) 无线网络部署，满足新一代高清 3D 平板显示器严格的功耗和成本要求

e.提供新一代广播视频点播系统所需的性能和带宽

f.10.3125Gbps 串行连接功能和内置式 Gen2x8 PCI Express 技术

g.丰富的块存储器和 DSP 资源，是无线 LTE 基础设施设备、LED 背光和 3D
数字视频显示器、医学成像与航空电子成像系统的理想之选。
(3)Virtex-7 系列

a. 树立了全新的业界性能基准;

b. 与Virtex-6 器件相比，系统性能提高一倍，功耗降低一半，信号处理能力提升 1.8 倍，I/O 带宽提升 1.6 倍，存储器带宽提升 2 倍;

c. 是业界密度最高的 FPGA，多达2百万个逻辑单元实现了突破性容量;

d. 采用 EasyPath-7 器件，无需任何设计转换就能确保将成本降低 35%;

e. 支持 400G 桥接和交换结构有线通信系统，是全球有线基础设施的核心;

f. 支持高级雷达系统和高性能计算机系统，能够满足单芯片 TeraMACC 信号处理能力的要求以及新一代测试测量设备的逻辑密度、性能和 I/O 带宽要求;

h.实现新一代 100GE 线卡、300G 桥、兆兆位级交换机结构、100G OTN 波长转换器、雷达和 ASIC 仿真。

总的来说，取得了行业突破性进展的 7 系列 FPGA 系列芯片具备如下表所示优势：

(3)行业优势

航空航天和军用产品

  7系列 FPGA 利用更高的集成度和信号处理能力极大地降低了功耗，从而为雷达、军事通信和高级成像系统提供了 SWAP-C 优势。

a.航空电子

Kintex-7 FPGA 的高性价比增强了飞机视频数据总线系统的 SWAP-C 优势。

b.雷达

Virtex-7 FPGA 削减了面向便携式雷达系统的 SWAP-C。

c.广播

Kintex-7 FPGA 为主流设计带来了 10Gbps 的串行连接功能，实现了新一代数字视频分配系统。

d.Video-over-IP 网关

Kintex-7 FPGA 为远距离 WAN 传送实现了串行数字接口(SDI)协议与 IP 技术的经济型、低功耗桥接，从而能够利用标准 IP 网络连接本地录播室/现场活动、广播设施和卫星上行站。
消费类

Artix-7 和 Kintex-7 FPGA 支持主流和新兴串行协议，实现了功耗和成本优势，是极具吸引力的 ASIC 和 ASSP 替代品。可重编程性实现了高级图像增强算法的快速应用和在各种最终产品价格上的特性差异化。

a.LED 背光平板显示器和 3DTV

Artix-7 和 Kintex-7 FPGA 提供的功能使得平板显示器制造商能够提高图像质量、降低功耗和削减成本。为 LED 背光控制器实现了复杂的局部调光和照明补偿算法。生产具有不同的 LED 区域数量和 LED 布局的直接型照明显示器，同时调整照明以便与不同供应商生产的面板的物理特性相匹配。为显示器添加 3D 功能。

b.高端消费类数码单反相机

Artix-7 和 Kintex-7 FPGA 实现了低功耗、低成本和小型化，使得高端消费类数码单反相机制造商能够在自动对焦镜头内实现控制功能，以及在照相机机身控制器/图像处理 ASIC 内迅速部署增强功能。
医疗

Kintex FPGA 实现了高性能、低功耗和小型化，可用于多种医疗设备。通过7系列统一架构，工程师能够迅速调整设计以满足不同的市场和应用要求。

a.便携式超声波

在芯片级封装内实现的高 I/O 带宽和 144GMACS 的 DSP 处理性能让 Kintex-7 70T FPGA 成了前端和后端超声波处理的理想之选。设计者可以采用完全可编程的128通道超声波设计，它可以升至196或256通道以便实现高端手推式解决方案，或者降至64或32通道以便实现手持式尺寸
有线通信

7系列 FPGA 专为最高带宽和最低功耗而设计，能够满足网络设备对带宽的不断渴求。在不超出现有功耗和冷却面积的前提下升级硬件以实现容量提升。

a.100GE 线卡

Virtex-7 FPGA 提供了适当的 I/O、存储器和逻辑组合，实现了新型线卡的单 FPGA 设计，提高了带宽

b.300G Interlaken 桥接

Virtex-7 XT FPGA 的延伸功能有助于实现基础设施升级，这些器件为 MAC-NPU、NPU-开关和 NPU-TCAM 之间的 Interlaken 行业标准桥接提供了高达 1.9Tbps 的带宽。

无线通信

Kintex-7 FPGA 专为最低功耗和经济型信号处理而设计，提供了符合无线基础设施 DSP 密集型要求的功能组合，通过成本优化的封装和在单个 FPGA 内整合多种功能实现了低成本解决方案。

a.多模无线电

Kintex-7 FPGA 能够帮助您降低成本和功耗，提供可升级平台，以及支持多种空中接口标准

b.LTE 基带

Kintex-7 FPGA 提供了最高的性价比，所以设计者能够满足通用平台内 LTE 基带处理严苛的延迟要求。

特点3 全新Xilinx 7 系列FPGA芯片的绝佳应用

正如上文所说，正因为全新Xilinx 7 系列FPGA芯片具备的种种优势，所以它能做到进一步拓展FPGA的应用领域。其核心市场包括便携式超声波设备、无线基础设备和新一代有线换入设备，新市场则包括数码单反相机、3D TV平板显示器以及高性能计算等领域。具体应用详见下文介绍：

(1)数码单反相机——Artix-7系列 FPGA

众所周知，高级数码相机已经越来越流行了。据统计，到2010年截止，数码相机销售量达到1.5亿台;其中数码单反相机占上述相机总数的10%。无疑，这种情况将给FPGA带来上亿美元的巨大商机。但是在应用过程中也是有所要求的，如：要尽量避免IC过时;相机内部必须是高精度电机控制;追求低功耗、低成本等。
  Artix-7 FPGA未出现以前，数码单反相机中要用是多个ASSP芯片。但是Xilinx Artix-7 FPGA的推出给数码单反相机带来了福音。单个Artix-7 FPGA就可代替9个ASSP，还可以显著降低成本、功耗和尺寸。其具体实施方案对比图如下图所示。两种方案不同的IC成本、功耗、尺寸规格如下表所示。

明显地，通过上表对比可知，相比采用ASSPs而言，采用Artix-7 系列FPGA芯片其成本降低66%、功耗降低37%、尺寸缩小85%。

(2)新一代无线多模式无线电——Kintex-7系列FPGA

  新一代无线多模式无线电要求可移植性。具体来说，就是：能够经济高效地满足不断提高的数据速率需求;能够适应新标准;同时还要支持多种空中接口混合使用 (MC-GSM+LTE)。除此之外，其应用要求包括：支持CPRI/OBSAI接口标准;性能可提高至491MHz;降低资本支出和运营支出;降15%的系统成本;实现5个9的可用性(即99.999%的可用性)。
  正因为上述要求的存在，所以就出现了一个问题：即要求现有的FPGA必须能够扩展，以满足严格的成本、性能和功耗要求。此时，Xilinx Kintex-7系列FPGA应运而生，正好解决了这个难题。通过下图我们可以看到相比之前的Virtex-6系列芯片来说，Xilinx Kintex-7系列FPGA在新一代无线多模式无线电上的应用优势。可以毫不夸张的说，在采用Xilinx Kintex-7系列FPGA后，该方案的性价比提高3倍、功耗降低18%。

在系统性能方面，通过下表我们可以看得更清晰：

(3)有线通信架构核心——Virtex-7系列FPGA

如今，在有线通信架构中，已超过400万个“智能”设备投入使用;并且视频点播是无处不在的;此外因特网流量每年以70%以上的速度在增长，所以无形之中，线通信架构的构建就有着永无止境的带宽需求。在应用方面的话，要求能满足目前和未来的标准要求、能与众多端点设备相连、还能在保持低功率和较小占位面积的同时将性能提高3倍，并且可支持“Interlaken”协议。
  由于容量和连接性要求极高，所以有线通信架构最常采用ASIC方案。采用ASIC方案的NPU或交换结构图如左下图所示。

但是，随着超高端FPGA Virtex-7(全球首款单芯片300G 可编程桥接器)的出现，由于Virtex-7芯片在性能、带宽和功耗上可与ASIC相媲美，并且与未进行功率优化的器件相比，可降低28%的功耗。因此，在有线通信架构的构建中，Virtex-7系列芯片应用的也越来越多了。采用Virtex-7系列方案的NPU或交换结构图如右上图所示。下表是两种方案的对比。从表中就可明显看出Virtex-7系列芯片的优势。

除了能在上文提到的数码单反相机、新一代无线多模式无线电、有线通信架构中有广泛应用，全新Xilinx 7 系列FPGA芯片还能满足便携超声波设备、大批量10G有线通信设备所需性能;能支持LTE无线网络部署;还能满足3D显示器的功耗和成本要求;下一代广播视频点播系统的性能和带宽;支持新一代有线接入设备和高级雷达系统和高性能计算机系统等等。

展望：全新Xilinx 7 系列FPGA芯片的美好未来
  自全新Xilinx 7 系列FPGA芯片横空出世之后，可编程逻辑技术就已经呈现出一种“势在必行”之势。随着该芯片系列不断投入市场加以应用，带宽与灵活性市场需求得到不断的提高、功耗和成本降低至少一半;性能与容量翻番;采用的目标设计平台则大幅度提高了生产率;并且越来越少的设计人员选择使用ASSP;ASIC同样也难逃厄运。总之，其前景可谓是一片“光明”。

当然，想要一直保持“光明”状态，那Xilinx就得继续做到与时俱进、居安思危。在已有技术前提下，不断创新，争取做到以下五点：追求更高的系统性能;实现更高的性价比;争取更大的容量;做到更低的功耗和更好的服务。如果能够做到这些，将会有更多的工程师“恋”上Xilinx FPGA芯片

4.7系列命名规则

  从上图中可以看出，除Spartan系列器件的厂商编号是由十个字段组成之外，其余三个系列的厂商编号都由9个字段组成。

四个系列器件的左数第一段编码都是"XC"，这俩字符表示该器件是Xilinx生产的商业级器件，另外还有军品级和宇航级，不过这俩等级国内不太可能通过正规渠道购买；

左数第二个字段代表该器件属于Xilinx的第几代器件，7系列的这个字段都是7；

左数第三个字段代表该器件属于哪个族，S代表Spartan、A代表Artix、K代表Kintex、V代表Virtex；

左数第四个字段，实际器件上印的是一位或多位阿拉伯数字，这个数字乘以1000就是该器件大致的资源数量，只是大致，并不准确；

左数第五个字段用于表示该器件的速度等级，-3最高，-1最低，带L的表示该器件是低功耗器件（低功耗器件的供电电压比普通器件更低）。这个参数是厂商对芯片测试筛选后印到芯片上的，是一个经验值。该值越大，表示Block RAM和高速IO等资源的最大时钟越高，因此在进行设计时需要慎重考虑该数值。

接下来，Spartan器件的第六道九四个字段和其余三个族的器件的第六到八个字段是该器件的封装信息，这几个字段里最后一个字段的数字代表该器件的引脚总数（跟用户引脚数有区别），另外几个两三个字段的含义就不是很明白了。

最后一个字段表示该器件的温度等级，国内比较常见的是C和I；C代表商业级（Commercial）,可以在0℃到85℃下正常运行；I代表工业级（Industrial），可以在-40℃到100℃下正常运行。另外两个等级，对我而言还是只存在于“传说中”。

5.7系列资源概括

7系列FPGA各族资源的简单对比。

  下面一系列图片是各族FPGA资源概览，其中的IO资源是按最大封装标出来的。

  值得一提的是，7系列FPGA上集成了一个ADC模块，就是那个“XADC Blocks”，这玩意不仅可以从引脚采集电压值，还能监控自身的供电电源，虽说这玩意在CPU和MCU上不是啥新鲜玩意，但是在FPGA上还是蛮新奇的，起码对我而言是。

注意看Virtex7那张图下面第1条和第6条Notes，Virtex7还细分了Virtex7T、Virtex7XT和Virtex7HT。
  下面一系列图片是不同封装FPGA的IO资源和高速收发器资源表：

从上面的几张图中可以看到，7系列的FPGA IO资源有HR和HP两种规格。HP支持1.2V~ 1.8V电压，HR支持1.2~3.3V电压。前者的最高传输速率要比或者高，但是明显前者的使用范围更窄，这个就需要根据需求自行判断需要哪种了。

论质量的话Kintex7其实要略胜一Virtex7筹，毕竟Kintex7全型号都支持GTX，同时全型号都有HR IO，大部分型号还兼备HP和HR两种规格的IO。

7系列三种高速串行收发器的性能如下

GTH:500Mb/s~13.1Gb/s

GTP:500Mb/s~12.5Gb/s

GTP:500Mb/s~6.6Gb/s

具体到每个器件时，最高传输速率还收到前面提到过的速度等级的影响。另外，Xilinx有用来配置高速串行收发器的IP核，在这个IP核里可以设置具体的传输速率和编解码等属性。

 

责任编辑：xj

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