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高性能集成电路的概念范文1
“更快、更高、更强”是奥运的口号，高速则成为人们生活的不变追求。
4月，中国铁路系统进行了第六次提速，旅行时间缩短后，乘坐火车旅行似乎成了一种享受。毫无疑问，这种大规模提速给铁路系统带来的整体运载能力的提升，极大地节省了社会的运输成本，提升了工作效率。
虚拟世界的网络也被称为信息高速公路，多年来它也在进行着持续的提速，IP网络速度从10M到100M再到1000M以至万兆，网络节点的延迟也是以10倍、100倍的速度下降。这使得网络使用者拥有了越来越多的高速享受――网络电视、高速下载、网络视频会议……
但是，IP网络从业者在规划网络提速工程中，也在面对一个和交通系统完全不同的难题：网络中，限制系统速度快速提升的关键不是网线的道路建设，而是网络设备节点性能。确保网络节点持续的提升性能，特别是提升低速节点的性能，是网络设计者最需要关注的内容。网络安全设备究竟应该如何解决节点速度的瓶颈问题？
防火墙成为瓶颈
传统网络安全产品，特别是应用最为广泛的传统硬件防火墙产品，经常会成为网络性能的瓶颈。这里不是说防火墙设备技术不好，而是由安全设备本身的工作性质决定的。路由器类设备只是单纯转发，而且转发规则和策略相对固定而单一。网络安全设备的工作则要复杂得多，它需要加载多项策略，除了对每个报文进行转发外，还有可能进行各种拆包、组包、包头分析、深入的内容检查，这使其工作量和复杂度远大于纯网络转发类产品。这种天然的差异使得即使采用相同的硬件，防火墙的性能也会远低于路由器的性能。
对于现有的网络，高性能要求的各种实时应用越来越多，例如VoIP、视频会议或者网络教学。根据IDC的一份预测报告，未来几年即时通信类应用会出现快速增长，并最终超过Email、Web等时效要求并不高的应用。
这种应用的变化对网络性能的要求，不但关注传统的带宽的增长――10M、100M、1000M，也注重带转发延迟减小、小包处理性能等参数。其别重要的是转发延迟――在有充足带宽的网络环境下，不同的延迟对于各种实时业务的影响是完全不同的。科学研究表明，人耳对10毫秒的声音延迟会有分辨能力。这意味着在VoIP应用中，如果IP电话通信线路上的所有设备网络延迟总和大于10毫秒，人耳会听见回声或者明显的声音延误。而很多性能较差的防火墙，其转发延迟就可能是毫秒级别的。在视频会议中，有时会出现视频图像的冻结或声音的中断或抖动。导致这个现象的原因可能是因为带宽不足，但也很有可能是整个系统的转发延迟过大。
硬件提升是关键
随着安全产品，特别是防火墙成为网络建设不可或缺的组成部分，越来越多的网络规划和设
计者会直接面对“性能-安全”矛盾，不要安全设备直接面对网上无休止的攻击和蠕虫导致了视频系统的性能下降，可是安装上防火墙后，转发延迟迅速增大，也有可能导致网络性能的下降。面对这种情况，近年来各个防火墙厂商不断在技术上解决防火墙的性能瓶颈问题，这包括各种安全算法的优化、端口的扩容、负载均衡等，但其中从根本解决安全设备性能问题的方法是直接对防火墙硬件构架进行提升，特别是安全芯片的固化、专用集成电路化。
从各种不同硬件构架上看，传统防火墙通常都是以x86或者一些通用CPU作为转发核心的工控机。这类核心处理器最大的特点是通用性强，对于安全处理和转发没有特殊优化处理。这使得传统防火墙在转发延迟和小包处理上面都显得能力不足。
安全芯片之辨
近几年，国内部分较大的安全厂商推出了NP构架的防火墙，试图提升安全设备的性能。NP是专门为网络设备处理网络流量而设计的处理器，其体系结构和指令集对于路由常用的数据转发等算法和操作都进行了专门的优化，可以高效地完成TCP/IP栈的常用操作，并对网络流量进行快速的并发处理，但是NP在安全领域的应用也存在天然不足。
NP的概念是上世纪末推出的，在设计的理念上是面对主流路由器市场，当时硬件防火墙并没有形成规模应用，因此NP对于安全防火墙的各种安全算法并没有特别进行优化和设计。因此设计NP防火墙时，绝大多数NP防火墙主板上必须配有传统的x86 CPU，NP负责三层转发等路由工作，x86 CPU负责安全处理――但只能达到传统x86防火墙一样的安全处理性能。这使得尽管在路由转发时，NP防火墙都能实现线速转发，但是在实际安全应用中，不断的报文安全处理使得NP还是有些力不从心。
ASIC芯片技术与NP有所区别，ASIC英文全称为Application Specific Integrated Circuit――专用集成电路。从电子工程学上来讲，ASIC并不是新概念，从有电路的一刻起，就开始了ASIC的开发与应用。 ASIC采用硬接线的固定模式，最早的ASIC确实是完全量身订造。可编程芯片则从上世纪70年代初期开始起步，可编程逻辑装置(Programmable Logic Device，PLD)经历了PLA、PAL、GAL、PEEL、EPLD、CPLD、SPLD、FPGA等阶段，已经进入可编程ASIC阶段，将多个电路迭层(Layer)的多层的电路改成FPGA的形态(允许变动、调整电路)，并保留几层为原有的传统ASIC型态(不允许再行调整电路)，从而使现代ASIC设备既有硬件芯片级的高性能，又保证了充分的灵活性和可编程能力。
特别重要的是，安全ASIC芯片开发初衷就是安全专用的，它不具备其他功能。厂商自己开发的ASIC芯片更是完全按照厂商具体需求开发而成。大多数安全功能的加速算法是可以集成到芯片内部的，从而实现快速的安全转发。
ASIC防火墙也需要配置有传统CPU，但是这时CPU主要是起管理作用和执行与性能无关的业务，安全处理和转发的加速则完全由ASIC来处理，从而确保了系统无论是在路由转发还是网络攻击的环境中都能保证较高的带宽。
铁路的大提速，可能不单单是把火车运行速度提高，它是一个全方位的系统工程。同样，网络速率的提升也不单单是把端口从100M更换为1000M，它后面有一系列的工作，有网络拓扑的变化、网络管理的变化，更有设备硬件构架的本质改变，它更需要各个参与者全方位的配合，只有这样，才能真正给网络用户带来高速度、高质量、完全不同的网络新体验。
高性能集成电路的概念范文2
关键词:节能;减排;功率半导体
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。
功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。
随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。
目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。
2需求分析
消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。
根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。
在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。
总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。
3功率半导体技术发展趋势
四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。
从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。
在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。
1) 功率半导体(分立)器件
功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。
在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。
功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。
2) 功率集成电路(PIC)
功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。
3)功率系统集成
功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。
4我国功率半导体发展现状、
问题及发展建议
在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。
由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。
笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。
设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。
我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。
5结束语
总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。
我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线,拥有国际上最大规模的人才培养能力,但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和培养,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
高性能集成电路的概念范文3
关键词 现场可编程门阵列；设计；可编程器件；发展
中图分类号TN7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）99-0077-02
近年来，伴随着电子技术和超大规模集成电路技术的飞速发展，集成电路的集成度越来越高，集成主板上的系统规模也不断的提高，这也为系统设计带来了新要求。现场可编程门阵列作为超大规模集成电路技术的一种，已经广泛的应用在通信、图形处理、计算机等多个领域之中，是当前电子系统中最为重要的组成部分，FPGA器件设计也越来越受到人们重视。
1 FPGA概述
FPGA在目前的通信、遥控、计算机、图形等领域广泛的应用，已成为当今电子系统中最为关键、最为重要的组成部分。伴随着社会生产技术的发展，FPGA器件的设计越来越受到关注，已成为电子技术工作人员设计的核心课题之一。
1.1 FPGA概念
FPGA是现场可编程门列阵的简称，它的出现是给电子技术、数字系统设计带来了质的变化。它是由它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件在社会发展的基础上形成的一种新产物，作为专用集成电路领域的应用而产生的一种定制电路不足现象，这也克服了传统可编程器件门电路数有限的缺点，给集成电路技术的发展指明了新方向。
1.2 FPGA优点
现场可编程门阵列是一种可编程使用的信号处理器件，它可以通过用户来改变配置信息的功能的特点而受到社会各界人士的关注。FPGA与传统的数字电路系统相比较，它具备着可编程、集成程度高、运行速度快、可靠性好的优势，可以通过配置有关器件内部的逻辑功能和输入、输出端口来将其与原来的电路板连接起来，从而提高电路的性能，减少电路在运行中所产生的其他隐患，有效的提高工作的灵活性和效率。
它与ASIC相比较，具备着显著的优势，如开发周期短、产品上市速度快、市场适应能力强以及未来发展空间大的特点。在目前的社会发展中，一个产品在定型和投入市场之后，很难再对其进行改进和优化，而在FPGA的设计工作中，我们可以迅速的将其转变成为专用的芯片，从而进行生产。
2 FPGA的发展历程
2.1 FPGA的过去发展
FPGA最早出现于上个世纪七十年代，它自诞生以来以其通用型能力好、适应性强的优势得到了迅速的发展，同时也改变了传统器件的固定功能，从根本上改变了传统期间功能的研制和发展。在当前社会发展中，采用FPGA进行工作的时候，用户可以直接通过编程的方式来实现所需要的逻辑功能，而无需要依赖于传统的芯片功能要求。
FPGA由于本身具备着门阵列器件的高度集成、通用性强的特点，又具备着用户可编程灵活度高、在规模、密度上发展不受整体框架限制的优势在过去的几十年时间里得到了飞速发展，并且取得了一定的成绩。
2.2 FPGA的发展趋势
时至今日，FPGA市场逐步趋于规范，早已经改变了传统的那种繁杂无章的市场模式，今天的FPGA生产商家只剩下了为数不多的几家，虽然仍然不时出现新的生产厂家，但是由于其技术底蕴无法与这些老牌常见比较，大多都是昙花一现的现象，而无法得到大力发展。但是就那些老牌的厂家生产和研究分析，FPGA存在着集成程度高、结构灵活、结构可靠的优点而不断的进行研制，且随着半导体技术的完善和发展，这一技术的应用也越来越深入，相信在未来的发展中必然会迎来更进一步的发展。
3 FPGA设计技术
3.1可编程技术探讨
在目前的FPGA设计工作中，我们常见的可编程技术主要包含有3种。
3.1.1 SRAM编程技术
SRAM编程技术被称之为最基本的变成技术，是通过对传输管进行控制和存储信息的读写来完成工作的。在设计的过程中，当传输管道接通的时候，SRAM单元内部的存储信息可以通过数据传输端口来进行读取或者改写；而当传输管道中断的时候，存储的信息也会随之静置，形成一个首尾相连的锁定状态。
3.1.2 Flash和E2PROM编程技术
Flash和E2PROM技术在应用的过程中存在着稳定性好、非易失性的特点，在设计的过程中及时关闭电源，其内部存数的信息也不会发生损坏和丢失。在设计工作中，如果采用Flash进行设计，那么其内部的存储单元会自动取消E2PROM隧道型存储单元选择关，通过采用一个信号一次性擦除的方式来存储信息，进而增加器件的继承性。这一技术与SBAM相比较，它结合了非易失性和可重复性的变成特点，因此具备着工作效率高、稳定性好的优势。
3.1.3反熔丝变成技术
反熔丝变成技术在编程应用之前都是以开路状态存在的，通过编程使得反熔丝结构局部发生变化，在瞬间产生大量的热损耗现象，从而使得薄绝层的物质融化反应，进而形成永久性的通道。这种技术在应用的过程中可以说是集合了FPGA的非易失性和稳定性双重优势，使得信号传输路径的电阻和电容问题得到了缓解，并且具备着安全性高的优点。但是它在应用中缺陷和极为明显，主要表现在：无法重复变成、不能用于新产品开发；一次性进行编程且无法进行可靠检测；在不同工艺下其所造成的工作差异也相当大。
3.2 FPGA前沿设计技术与未来发展趋势
时至今日，在社会发展中半导体产品的应用越来越普遍，可谓是在各领域都已经趋于普及，在应用对于成本的控制都是以摩尔定律为基础进行的，而作为半导体器件中最为关键的一部分——可编程逻辑器的应用越来越普遍，它在每一次工艺升级中都出现了新的转变，在产品的功耗、频率以及密度方面都得到了重大转变。
受到深亚微米半导体工艺影响，传统的设计和生产工艺面临着越来越严峻的挑战，在工作中如果仍然采用传统的设计方法，在未来社会发展中必然无法满足时代要求，这就需要在工作中对其进行优化和改进。这一工作的开展是以高密度、高性能为目标开展的，对于片上的资源集成度进行了更深层次的优化，为FPGA的技术发展奠定了理论基础。
4 结论
为满足用户和市场日益变化的需求，FPGA不断在密度、功能、性能和功耗等方面演变；面对深亚微米工艺带来的各种不良影响，如漏电流、设计复杂度等，又迫切需要最切实际的解决方案。随着挑战的发展，可以预言，未来FPGA的设计技术必将继续呈现出巨大的创新与进步。
参考文献
高性能集成电路的概念范文4
随着半导体工艺技术的不断发展，EDA技术也不断地推动着电子设计技术的发展。IC设计产业在不断高度发展的同时也面临着巨大的挑战，产品上市周期越来越短、成本越来越低等要求都迫使设计者在进行电子设计时选用更高效的EDA技术。设计者在设计的过程中必须全面的考虑问题，不仅要考虑硬件的物理特性对设计时序及功能可靠性等的影响，同时也要选用合适的设计术语及抽象形式等数据来描述设计。EDA技术不仅需要测试深验证亚微米技术的物理效应的能力同时也需要提供抽象设计的能力。EDA技术的发展离不开计算机、电子系统设计及集成电路等，EDA技术的发展大致上可以分为计算机辅助阶段、计算机辅助工程设计阶段及电子设计自动化阶段这三个阶段。电子辅助阶段主要是在计算机辅助的前提下进行的电路原理图编辑，用PCB进行布线布局，从而使得设计师从传统的绘图工作中解放出来。计算机辅助工程设计阶段主要是解决电路设计中的电路检测等问题，CAE以逻辑模拟、故障仿真及定时分析等为核心，从而使得设计可以提前预知产品的相关性能及功能。电子设计自动化阶段主要是通过高级描述语言、综合技术及系统仿真等“自上而下”的完成设计前期的高层次设计。
2EDA技术的要点分析
2.1硬件描述语言硬件描述语言是一种进行电子系统硬件设计的计算机语言，它通过软件编程来具体的描述电子系统中的电路结合、连接形式及逻辑功能等，硬件描述语言适应于设计大规模的电子系统。高速集成电路（VHDL）硬件描述语言于1985年美国国防部推出的目的是为了克服EDA产品不兼容问题，同时也可以进行多层次设计。IEEE以VHDL为硬件描述语言柄滩以覆盖之前的硬件描述语言的各种功能。IEEE是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、逻辑门级及寄存器传输等多个设计层次，同时也支持数据流、结构及行为等三种形式进行混合描述整个项目。VHDL硬件描述语言不仅移植性好，同时它的设计也方便了工艺间的转换，而且VHDL使得设计人员的主要工作是进行实现与调试系统功能。
2.2ASIC设计在集成电路的设计中加入ASIC芯片可以解决电子系统集成电路存在的功耗的、可靠性差及体积大等主要问题。随着现代电子产品市场的门槛不断提高，ASIC芯片分为全定制或半定制ASIC及可编程，因此在设计ASIC芯片时应该尽可能的是芯片获得最优的性能，从而达到高利用率、高速度及低耗能的目标。
3EDA技术在电子设计流程
EDA技术是系统级的设计方法，是一种层次相对较高的电子设计方式，EDA技术以概念为驱动从而使电子设计工作者在设计时无需利用门级原理图，电子设计工作者在确定设计目标之后就可以用EDA技术来表述电路，这样不仅可以减少电路细节的约束及限制，同时也可以使设计者的设计更具创造性。EDA系统在电子设计人员将概念构思及高层次的描述输入计算机之后在系统规则下完成对电子产品的设计。EDA技术的电子设计工作流程大致包括系统划分、代码级功能仿真、VHDL代码或图形的输入、送配前时序仿真及ASIC实现部分。首先，电子设计借助文本或者图形编辑器呈现出设计描述，也就是实现设计表述。其次，电子设计借助编译器对设计进行错排编译，即输入HDL程序。然后，设计人员需要沟通软件和硬件设计，以便实施功能仿真，即综合。最后，在确认仿真设计无误时，通过FPGA或CPLD完成逻辑映射操作，即编程下载，系统级设计完成。基于EDA技术电子设计流程如图。
4EDA技术的应用
EDA技术在电子工程设计中扮演着非常重要的角色，它的作用体现在不同的方面。首先，电子自动化技术可以验证电路设计方案的正确性，在进行电子设计时，待设计方案确定之后，会利用结构模拟或者系统仿真等方式来验证设计方案的正确性，在验证过程中系统中的各个环节的传递函数确定之后设计方案便可以实现。这种系统仿真技术推广到非电子专业的系统设计也会得到充分的发展。EDA技术在系统进行仿真之后的电路结构进行模拟分析，从而使得电路设计方案的可行性及正确性得到充分的保障。其次，电子自动化字数也可以对电路特性进行优化设计。电路的稳定性能受到元器件容差及工作环境温度等的影响。在传统设计过程中难以对电路的整体进行优化设计，也无法全面的分析电路稳定性的影响因素。EDA技术中的温度分析及统计分析等功能的应用则可以全面的分析电路特性影响因素，从而对电路特性进行整体的优化设计。最后，电子自动化技术也可以实现电路特性的全功能模拟测试。
5以EDA技术为基础电子设计的注意事项
高性能集成电路的概念范文5
关键词：自动化仪表；嵌入式系统；自动化；网络化
信息化社会背景下网络技术与微电子技术迅猛发展，自动化仪表也进行相应升级和创新，通信信息技术和计算机技术、新型精密元件零件和智能化系统研发和应用一定程度上影响了自动化仪表结构跳帧，通过运用嵌入式系统网络技术实现了仪表远程监督和控制，实时传输和预报仪表运行故障以及上传相关信息，在自动化仪表强化传感测量计算、补偿网络与显示等功能基础上增加自动化信息处理、信息判断、智能化运行以及自动诊断运行故障等功能，嵌入式系统为自动化仪表创新发展提供技术条件。
1软硬件系统设计是新型仪表设计模式
常规仪表仪器设计流程和内容是先对系统硬件进行设计，然后制定系统软件，再对系统硬件和软件进行反复测试调整。通常在系统流程或运行中发现故障和内部元件错误后进行维修，会使得仪表修改难度加大甚至难以进行，所以需要进行重新设计，使得仪表开发进度受到影响，仪表开发周期延长，无形中增加成本费用。软硬件协同设计是近年来作为新型设计模式，又可以称为软硬件一体化设计。自动化仪表嵌入式系统研发过程中，系统软件和系统硬件开发紧密相关，互相作用。在研发过程中对软件和硬件进行功能划分需要结合系统功能描述内容，在实际设计环节中首先对嵌入式系统进行功能运行测试，确保系统功能与实际需求相符合，进行软硬件协同模式测试，实现软件和硬件综合开发。软硬件系统设计模式具有功能分化清晰明确、软件开发周期短等特征，对新型自动化仪表设计提供了技术指导，同时也符合市场发展和社会经济需求。嵌入式系统研发主要内容是系统内部各功能模块划分，软件硬件设计、协同设计测试模拟主要分为四方面内容：第一，协同设计系统功能划分需要先对系统各个功能进行了解采集，编制功能运行指令，例如使用无关语言的描述方式，初级数学公式或者算法级描述，对系统功能进行准确测试模拟。第二，软件硬件功能划分主要对系统设计内容和限制条件进行掌握，对软件和硬件功能仔细分类，确保系统设计方案科学合理。第三，系统协同测试模拟是对软件和硬件设计综合，运用通信技术实现对整个系统进行监督和掌控，进行测试模拟相关数据分析，及时发展各种安全隐患和问题，并加以修改。第四，软件和硬件设计综合后，实施协同模拟测试，完成系统设计综合集成。软件构件设计中包括编制、翻译、汇总以及综合四方面内容、硬件构件设计中包括逻辑设计、半途设计以及综合设计等内容。软件硬件协调设计方案通过运用并行写作设计概念，有效降低了方案设计时间，提高了设计质量和效率。嵌入式系统软件硬件协调设计在整个系统流程中可以分层为：首先，设计需求和产品定义，设计方案目的；其次，系统概念层级设计初级系统模式结构，系统运行结构流程设计，综合软件硬件协调测试模拟过程；最终，系统设计详细层次，对软件、硬件和系统界面设计，综合评价系统设计。
2嵌入式处理器是新型自动化仪表设计核心内容
随着单片机及微型控制器智能化程度越来越高、系统技术越来越成熟以及使用功能越来越丰富等特点，被广泛应用越自动化仪表运行中。这对嵌入式处理器要求越发严格，在减少耗能和占地面积基础上，引入芯片集成电路技术，有效控制处理器成本价格，确保高性能嵌入式处理器在新型自动化仪表发挥最大性能。自动化仪表设计要考虑数字信号频谱分析和滤波技术、快速傅氏变换算法，运用效率较高编译方法，制定速度快的运行指令。通过运用高性能集成处理器可以实现更多附加功能，例如三十二位内核运算集成完成的通信系统，支持各种通信协议下的同步协议渠道。AcornRISCMachine微型处理器种类较多，从功能上分，主要用于通信功能的有DSP集成协同处理器、用来支持各类计算机平台应用软件和专用网络等，满足了用户多种需求，选择高性能嵌入式处理器可以实现更多功能。
3嵌入式网络技术实现自动化仪表网络信息化
实现自动化仪表网络信息化需要采用高性能处理器和硬件系统，制定仪表连接网络困难解决方案，采用多媒体信息交换机与单片机及微型控制器协议连接网络。增设网关，缓解嵌入式系统上网难题，提高嵌入式系统结构的网络管理工具，全面监督和掌控嵌入式组织结构和设备。通过运用嵌入式网络技术实现仪表网络数据采集、远程控制监督以及保存共享等功能，极大程度上发挥了系统性能，打破同一范围内信息采集分析与保存共享传统模式，为网络平台和技术为依托，进行仪表远程控制，用户可以通过网页浏览器获取需要的数据信息。结合自动化仪表实际运行需求，从系统调度、内存信息等环节进行管理，实时监督系统任务切换或中断。系统硬件引用高性能嵌入式处理器，提高硬件调度管理效率、系统软件可以独立完成计算分析和显示储存等功能，高度实现智能化处理模式，通过补偿网络调整校准自动化仪表准确程度，确保仪表自动化运营精准性。
4结束语
综上所述，新型自动化仪表需要自主学习和处理多种复杂测试模拟程度，引用智能化嵌入式系统和高性能嵌入式处理器，科学开发设计新型自动化仪表。结合软硬件协同设计模式和操作系统技术，实现新型自动化仪表高效平稳运行。
参考文献
[1]厉玉鸣.化工仪表及自动化.第3版[M].北京：化学工业出版社，1999.
高性能集成电路的概念范文6
硅与光的半世姻缘
1960年，Ted Maiman发明了第一个激光器，而这项发明在最初一段时间内并无任何实际用途，人们还不知道激光可以用来做些什么。半个世纪之后，激光已经成为医药、制造、娱乐领域的重要工具，并且推动了所有远程通信的发展。然而，由于成本的限制，激光及相关的器件还没有成为日常生活应用的常客。
1959年，仙童半导体公司的Robert Noyce(英特尔公司的创始人之一)和德州仪器的工程师Jack Kilby几乎同时发明了基于硅的集成电路，而前者的发明更加适合进行商业化。半个世纪之后，硅集成电路由当初的2个晶体管发展到现在的数十亿个晶体管，并不断提高性能、降低计算成本，摩尔定律更推动着半导体芯片技术持续高速前进，取得一个又一个革命性的技术突破，我们的计算设备也从大型机、小型机，向着工作站、台式机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机这样的小型化之路发展。
将半导体制造技术的大批量、低成本、高集成度、灵活扩展等特性，与激光器(及光纤)的超高带宽、长距离、低功耗、无电磁干扰等特性结合起来，这个大胆的设想在英特尔的工程师脑中已经孕育了近10年，并且在过去的六七年时间里一步一个脚印地解决了激光的发射、操纵、结合、分离和探测的技术难题，成功开发并产品化了LightPeak技术(公布于2009年9月24日的秋季IDF大会上)，为各种外部设备与PC之间的高速低成本光连接提供了成熟的解决方案。
英特尔公司首席技术官、高级院士兼英特尔研究院总监贾斯汀在大会主题演讲中向人们描绘了2015年利用高速光连线技术的惊人体验。届时，用户将拥有150亿个消费电子设备能够提供电视内容，可供播放的视频将达到成百数千亿个小时。LightPeak技术将提供10Gb，s的高带宽，支持更小的设备接口以及更长、更细、更灵活的主流光连线技术，并可通过单根连线连接任何设备。
从电到光，潜力无穷
现在人们使用的计算机组件都是通过铜缆或电路板上的线路互相连接的。由于使用铜等金属进行数据传输会产生信号衰减，这些缆线所允许的最大长度十分有限。这极大束缚了计算机的设计，迫使处理器、内存和其他组件相互间的距离必须设置在几英寸以内。今天公布的研究成果，使我们向着以超轻超细光纤替代金属连接线路的目标又前进了一步，从而在更长的距离上传输更多的数据，彻底改变未来计算机的设计方式及数据中心的架构方式。
硅光电技术将在计算行业实现广泛的应用。例如，有了如此高速的数据传输速度，你可以想象家庭娱乐和视频会议也能享受墙体般大小的3D屏幕，而且高清的体验会让你感觉演员或者家人似乎就在你身边。未来数据中心或超级计算机的组件可能会分布在整个大楼甚至园区的不同位置，相互之间进行高速通信，完全不同于如今基于容量和传输距离有限的铜线的设计。这将帮助搜索引擎公司、云计算服务提供商或金融数据中心等数据中心用户提高性能和容量、节约空间与能源成本；或者帮助科学家构建更强大的超级计算机来解决世界面临的重大问题。
英特尔首席技术官兼英特尔研究院总监贾斯汀(Justin Rattner)在美国加州Monterey举行的集成光电技术研究大会上展示了这款硅基光电联结系统原型。这个传输速度高达50Gbps的联结系统类似于一款“概念车”，让英特尔研究人员可以在此联结系统上测试新想法，基于成本低廉且易于制造的硅继续开发利用光束在光纤上传输数据的技术，而不是使用像砷化镓这样的特殊材料做成的成本昂贵、制造困难的元件。尽管电信及其它领域已经在使用激光来传输信息，但对于PC行业来说，目前的技术应用成本还过于昂贵且元件体积过大。
贾斯汀表示：“我们的长期愿景是‘硅化’光子，把高带宽、低成本的光通信引入未来的PC、服务器和消费设备中。这款全球首次利用集成混合硅激光器开发的50Gbps硅基光电联结系统标志着实现这一愿景的重要里程碑。”
下下一代的LiqhtPeak技术?
这个50Gbps硅基光电联结系统原型是英特尔在硅光电学领域多年研究的结晶，其中包括了数个“世界第一”的研究成果。它包含一个硅发射器和一个接收器芯片，两者都集成了所有必需的构建模块，并融入英特尔历年来的多项突破性技术成果，包括与加州大学圣塔芭芭拉分校合作开发的第一个混合硅激光器以及2007年的高速光调制器和光电探测器。
发射器芯片包括四个激光器，通过它们发射的光束分别进入一个光调制器，而后者则以12.5Gbps的速度对数据进行编码。然后，这四条光束将被集中起来并输出到一条光纤内，总的数据传输速率将达到50Gbps。在联结系统的另一端，接收器芯片会对这四条光束进行分离，并导人到各光电探测器中，后者把数据转换回电信号。两个芯片都使用PC行业常用的低成本制造技术进行装配。通过提高调制器速度和增加每个芯片激光器数量的方式，英特尔研究人员正在努力提高数据传输速率，为未来的Tb/s级光学联结系统铺平道路。Tb/s级光学联结系统可以在一秒钟内完成一台笔记本电脑中所有内容的传输。
