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小芯片可能会改变FPGAs的一切

2023/1/5 8:32:43

FPGAs在高级数字设计师中广受欢迎，有助于将定制的中低产量设计快速推向市场，而无需投资ASICs。FPGAs还融合了性能和灵活性，通过重新编程改变功能。制造商们也在用更容易使用的工具进入中档FPGA领域。但是对于模拟爱好者来说，FPGA之类的可编程性是难以捉摸的。在很大程度上，FPGAs和analog并没有很好地融合，但随着新的小芯片技术的出现，这种情况可能开始改变。

这是一个晶体管供电的世界

虽然我不愿意说数字设计很简单，尤其是在较高的速度下，但一些特性使它比模拟设计更容易管理。模数转换的动机之一是将信号从模拟域尽快转换为数字域，从而提高抗噪能力并让快速数字处理器投入工作。

然而，并不是所有的晶体管都是一样的。用作数字开关的晶体管可以被硬驱动，尽可能快地在“0”和“1”电平之间转换。使用晶体管模拟信号存在噪声、接地环路、电源、非线性和失真、电流消耗、寄生电容和电感等问题。

数字设计往往会被尖端的半导体工艺所吸引，今天的先进节点已经推进到3纳米和2纳米。微小的几何形状允许在一个芯片中装入更多的晶体管，这在处理复杂的数字处理器内核或大型FPGA时非常方便。更小的几何尺寸也意味着更低的工作电压、更低的功耗和更快的时钟速度。

另一方面，模拟友好型工艺则不那么激进。成熟的混合信号工艺在30纳米范围内；TSMC刚刚宣布了16纳米毫米波射频工艺。因此，由于电压和电流的差异以及不同的设计规则，在同一芯片上混合模拟和数字电池变得很棘手。这就是为什么代工厂竭尽全力描述工艺设计套件(pdk)，解释他们提供的不同类型电池的参数。

大量的模拟块在当时听起来不错

大多数支持数字逻辑的FPGAs有四个主要特性：逻辑模块、存储模块、互连和片外数字接口。最后一个功能可能需要晶体管加固以适应更高的电压水平或额外的电流驱动，但它们仍然是数字开关。

模拟FPGA听起来是个好主意，除非有人尝试将其付诸实践。迄今为止，最接近的尝试是英飞凌的PSoC家族，该家族来自其对Cypress的收购。PSoC 6实际上是一款微控制器，具有中等性能的A/D、D/A和其他可选的强化模拟模块，可用于接口。但它不是一个“软”模拟模块的海洋，可以按照设计者喜欢的任何方式连接。“街区之海”的想法在哪里遇到了麻烦？
互连：很难创建一种模拟互连，它可以将足够质量的信号传送到大型FPGA中的任何一点。开关的走线长度和增加的阻抗会改变行为，并提供易受噪声和接地环路影响的路径。
布局：加固模拟单元之所以能够工作，是因为布局保持紧凑，具有短而平衡的路径以及适当的电源和接地步骤。如前所述，混合数字和模拟细胞开始以某种方式破坏。
工具：数字仿真工具非常成熟，可以产生出色的结果，甚至可以处理FPGAs常见的时钟域交叉问题。模拟仿真工具的好坏取决于其中的模型，面对寄生效应、热效应、电荷俘获和更多的现实行为，预测可能会很快降级。电路仿真必须与电磁仿真相结合才能获得好的结果。

小芯片可能会改变FPGAs的一切

这就是英特尔Agilex Direct RF系列FPGAs吸引我的原因。他们使用小芯片方法将64位GSPS模数转换器集成到FPGA中。小芯片就像它们听起来的那样——一个小芯片上的小设计被放到一个更大的芯片上。小芯片可以使用不同的设计规则，甚至是与基础部件完全不同的工艺技术。混合问题消失了。A/D、PCIe和光学接口在独立的小芯片中根据各自的优点进行了优化，就像数字FPGAs中的情况一样。

尽管如此，高性能小芯片比加固的单片模拟单元更容易集成，为更快的采样速率和更高分辨率的模数转换器集成到FPGA中打开了大门。

希望在FPGAs中看到更多的小芯片模拟集成，因为模数转换器在许多子系统设计中很常见，包括传感器和无线通信。我们可能永远不会看到完全可编程的模拟FPGA，但模拟集成可以像它帮助前几代微控制器一样使FPGA受益。查询进一步信息，请访问官方网站