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高性能集成電路的概念范文1
“更快、更高、更強”是奧運的口號，高速則成為人們生活的不變追求。
4月，中國鐵路系統進行了第六次提速，旅行時間縮短后，乘坐火車旅行似乎成了一種享受。毫無疑問，這種大規模提速給鐵路系統帶來的整體運載能力的提升，極大地節省了社會的運輸成本，提升了工作效率。
虛擬世界的網絡也被稱為信息高速公路，多年來它也在進行著持續的提速，IP網絡速度從10M到100M再到1000M以至萬兆，網絡節點的延遲也是以10倍、100倍的速度下降。這使得網絡使用者擁有了越來越多的高速享受――網絡電視、高速下載、網絡視頻會議……
但是，IP網絡從業者在規劃網絡提速工程中，也在面對一個和交通系統完全不同的難題：網絡中，限制系統速度快速提升的關鍵不是網線的道路建設，而是網絡設備節點性能。確保網絡節點持續的提升性能，特別是提升低速節點的性能，是網絡設計者最需要關注的內容。網絡安全設備究竟應該如何解決節點速度的瓶頸問題？
防火墻成為瓶頸
傳統網絡安全產品，特別是應用最為廣泛的傳統硬件防火墻產品，經常會成為網絡性能的瓶頸。這里不是說防火墻設備技術不好，而是由安全設備本身的工作性質決定的。路由器類設備只是單純轉發，而且轉發規則和策略相對固定而單一。網絡安全設備的工作則要復雜得多，它需要加載多項策略，除了對每個報文進行轉發外，還有可能進行各種拆包、組包、包頭分析、深入的內容檢查，這使其工作量和復雜度遠大于純網絡轉發類產品。這種天然的差異使得即使采用相同的硬件，防火墻的性能也會遠低于路由器的性能。
對于現有的網絡，高性能要求的各種實時應用越來越多，例如VoIP、視頻會議或者網絡教學。根據IDC的一份預測報告，未來幾年即時通信類應用會出現快速增長，并最終超過Email、Web等時效要求并不高的應用。
這種應用的變化對網絡性能的要求，不但關注傳統的帶寬的增長――10M、100M、1000M，也注重帶轉發延遲減小、小包處理性能等參數。其別重要的是轉發延遲――在有充足帶寬的網絡環境下，不同的延遲對于各種實時業務的影響是完全不同的?？茖W研究表明，人耳對10毫秒的聲音延遲會有分辨能力。這意味著在VoIP應用中，如果IP電話通信線路上的所有設備網絡延遲總和大于10毫秒，人耳會聽見回聲或者明顯的聲音延誤。而很多性能較差的防火墻，其轉發延遲就可能是毫秒級別的。在視頻會議中，有時會出現視頻圖像的凍結或聲音的中斷或抖動。導致這個現象的原因可能是因為帶寬不足，但也很有可能是整個系統的轉發延遲過大。
硬件提升是關鍵
隨著安全產品，特別是防火墻成為網絡建設不可或缺的組成部分，越來越多的網絡規劃和設
計者會直接面對“性能-安全”矛盾，不要安全設備直接面對網上無休止的攻擊和蠕蟲導致了視頻系統的性能下降，可是安裝上防火墻后，轉發延遲迅速增大，也有可能導致網絡性能的下降。面對這種情況，近年來各個防火墻廠商不斷在技術上解決防火墻的性能瓶頸問題，這包括各種安全算法的優化、端口的擴容、負載均衡等，但其中從根本解決安全設備性能問題的方法是直接對防火墻硬件構架進行提升，特別是安全芯片的固化、專用集成電路化。
從各種不同硬件構架上看，傳統防火墻通常都是以x86或者一些通用CPU作為轉發核心的工控機。這類核心處理器最大的特點是通用性強，對于安全處理和轉發沒有特殊優化處理。這使得傳統防火墻在轉發延遲和小包處理上面都顯得能力不足。
安全芯片之辨
近幾年，國內部分較大的安全廠商推出了NP構架的防火墻，試圖提升安全設備的性能。NP是專門為網絡設備處理網絡流量而設計的處理器，其體系結構和指令集對于路由常用的數據轉發等算法和操作都進行了專門的優化，可以高效地完成TCP/IP棧的常用操作，并對網絡流量進行快速的并發處理，但是NP在安全領域的應用也存在天然不足。
NP的概念是上世紀末推出的，在設計的理念上是面對主流路由器市場，當時硬件防火墻并沒有形成規模應用，因此NP對于安全防火墻的各種安全算法并沒有特別進行優化和設計。因此設計NP防火墻時，絕大多數NP防火墻主板上必須配有傳統的x86 CPU，NP負責三層轉發等路由工作，x86 CPU負責安全處理――但只能達到傳統x86防火墻一樣的安全處理性能。這使得盡管在路由轉發時，NP防火墻都能實現線速轉發，但是在實際安全應用中，不斷的報文安全處理使得NP還是有些力不從心。
ASIC芯片技術與NP有所區別，ASIC英文全稱為Application Specific Integrated Circuit――專用集成電路。從電子工程學上來講，ASIC并不是新概念，從有電路的一刻起，就開始了ASIC的開發與應用。 ASIC采用硬接線的固定模式，最早的ASIC確實是完全量身訂造?？删幊绦酒瑒t從上世紀70年代初期開始起步，可編程邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)經歷了PLA、PAL、GAL、PEEL、EPLD、CPLD、SPLD、FPGA等階段，已經進入可編程ASIC階段，將多個電路迭層(Layer)的多層的電路改成FPGA的形態(允許變動、調整電路)，并保留幾層為原有的傳統ASIC型態(不允許再行調整電路)，從而使現代ASIC設備既有硬件芯片級的高性能，又保證了充分的靈活性和可編程能力。
特別重要的是，安全ASIC芯片開發初衷就是安全專用的，它不具備其他功能。廠商自己開發的ASIC芯片更是完全按照廠商具體需求開發而成。大多數安全功能的加速算法是可以集成到芯片內部的，從而實現快速的安全轉發。
ASIC防火墻也需要配置有傳統CPU，但是這時CPU主要是起管理作用和執行與性能無關的業務，安全處理和轉發的加速則完全由ASIC來處理，從而確保了系統無論是在路由轉發還是網絡攻擊的環境中都能保證較高的帶寬。
鐵路的大提速，可能不單單是把火車運行速度提高，它是一個全方位的系統工程。同樣，網絡速率的提升也不單單是把端口從100M更換為1000M，它后面有一系列的工作，有網絡拓撲的變化、網絡管理的變化，更有設備硬件構架的本質改變，它更需要各個參與者全方位的配合，只有這樣，才能真正給網絡用戶帶來高速度、高質量、完全不同的網絡新體驗。
高性能集成電路的概念范文2
關鍵詞:節能;減排;功率半導體
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
功率半導體芯片包括功率二極管、功率開關器件與功率集成電路。近年來,隨著功率MOS技術的迅速發展,功率半導體的應用范圍已從傳統的工業控制擴展到4C產業(計算機、通信、消費類電子產品和汽車電子),滲透到國民經濟與國防建設的各個領域。
功率半導體器件是進行電能處理的半導體產品。在可預見的將來,電能將一直是人類消耗的最大能源,從手機、電視、洗衣機、到高速列車,均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風電,甚至各種電池提供的化學電能,大部分均無法直接使用,75%以上的電能應用需由功率半導體進行變換以后才能供設備使用。每個電子產品均離不開功率半導體器件。使用功率半導體的目的是使用電能更高效、更節能、更環保并給使用者提供更多的方便。如通過變頻來調速,使變頻空調在節能70%的同時,更安靜、讓人更舒適。手機的功能越來越多,同時更加輕巧,很大程度上得益于超大規模集成電路的發展和功率半導體的進步。同時,人們希望一次充電后有更長的使用時間,在電池沒有革命性進步以前,需要更高性能的功率半導體器件進行高效的電源管理。正是由于功率半導體能將 ‘粗電’變為‘精電’,因此它是節能減排的基礎技術和核心技術。
隨著綠色環保在國際上的確立與推進,功率半導體的發展應用前景更加廣闊。據國際權威機構預測,2011年功率半導體在中國市場的銷售量將占全球的50%,接近200億美元。與微處理器、存儲器等數字集成半導體相比,功率半導體不追求特征尺寸的快速縮小,它的產品壽命周期可為幾年甚至十幾年。同時,功率半導體也不要求最先進的生產工藝,其生產線成本遠低于Moore定律制約下的超大規模集成電路。因此,功率半導體非常適合我國的產業現狀以及我國能源緊張和構建和諧社會的國情。
目前,國內功率半導體高端產品與國際大公司相比還存在很大差距,高端器件的進口替代才剛剛開始。因此國內半導體企業在提升工藝水平的同時,應不斷提高國內功率半導體技術的創新力度和產品性能,以滿足高端市場的需求,促進功率半導體市場的健康發展以及國內電子信息產業的技術進步與產業升級。
2需求分析
消費電子、工業控制、照明等傳統領域市場需求的穩定增長,以及汽車電子產品逐漸增加,通信和電子玩具市場的火爆,都使功率半導體市場繼續保持穩步的增長速度。同時,高效節能、保護環境已成為當今全世界的共識,提高效率與減小待機功耗已成為消費電子與家電產品的兩個非常關鍵的指標。中國目前已經開始針對某些產品提出能效要求,對冰箱、空調、洗衣機等產品進行了能效標識,這些提高能效的要求又成為功率半導體迅速發展的另一個重要驅動力。
根據CCID的統計,從2004年到2008年,中國功率器件市場復合增長率達到17.0%,2008年中國功率器件市場規模達到828億元,在嚴重的金融危機下仍然同比增長7.8%,預計未來幾年的增長將保持在10%左右。隨著整機產品更加重視節能、高效,電源管理IC、功率驅動IC、MOSFET和IGBT仍是未來功率半導體市場中的發展亮點。
在政策方面,國家中長期重大發展規劃、重大科技專項、國家863計劃、973計劃、國家自然科學基金等都明確提出要加快集成電路、軟件、關鍵元器件等重點產業的發展,在國家剛剛出臺的“電子信息產業調整和振興規劃”中,強調著重從集成電路和新型元器件技術的基礎研究方面開展系統深入的研究,為我國信息產業的跨越式發展奠定堅實的理論和技術基礎。在國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)中明確提出,功率器件及模塊技術、半導體功率器件技術、電力電子技術是未來5～15年15個重點領域發展的重點技術。在目前國家重大科技專項的“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品”和“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”兩個專項中,也將大屏幕PDP驅動集成電路產業化、數字輔助功率集成技術研究、0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發與產業化等功率半導體相關課題列入支持計劃。在國家973計劃和國家自然科學基金重點和重大項目中,屬于功率半導體領域的寬禁帶半導體材料與器件的基礎研究一直是受到大力支持的研究方向。
總體而言,從功率半導體的市場需求和國家政策分析來看,我國功率半導體的發展呈現以下三個方面的趨勢:① 硅基功率器件以實現高端產品的產業化為發展目標;② 高壓集成工藝和功率IC以應用研究為主導方向;③ 第三代寬禁帶半導體功率器件、系統功率集成芯片PSoC以基礎研究為重點。
3功率半導體技術發展趨勢
四十多年來,半導體技術沿著“摩爾定律”的路線不斷縮小芯片特征尺寸。然而目前國際半導體技術已經發展到一個瓶頸:隨著線寬的越來越小,制造成本成指數上升;而且隨著線寬接近納米尺度,量子效應越來越明顯,同時芯片的泄漏電流也越來越大。因此半導體技術的發展必須考慮“后摩爾時代”問題,2005年國際半導體技術發展路線圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一條半導體技術發展路線,即“More than Moore-超摩爾定律”, 如圖1所示。
從路線圖可以清楚看到,未來半導體技術主要沿著“More Moore”與“More Than Moore”兩個維度的方向不斷發展,同時又交叉融合,最終以3D集成的形式得到價值優先的多功能集成系統。“More Moore”是指繼續遵循Moore定律,芯片特征尺寸不斷縮小(Scaling down),以滿足處理器和內存對增加性能/容量和降低價格的要求。這種縮小除了包括在晶圓水平和垂直方向上的幾何特征尺寸的繼續縮小,還包括與此關聯的三維結構改善等非幾何學工藝技術和新材料的運用等。而“More Than Moore”強調功能多樣化,更注重所做器件除了運算和存儲之外的新功能,如各種傳感功能、通訊功能、高壓功能等,以給最終用戶提供更多的附加價值。以價值優先和功能多樣化為目的的“More Than Moore”不強調縮小特征尺寸,但注重系統集成,在增加功能的同時,將系統組件級向更小型、更可靠的封裝級(SiP)或芯片級(SoC)轉移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技術即是“More Than Moore”思想的一種實現方式,它是以硅材料為基礎的,跨領域(包括電子、光學、力學、熱學、生物、醫藥等等)的復合型集成技術,其核心理念是電性能(“Si”)與光、力、熱、磁、生化(“α”)性能的組合,包括:顯示器/發光體(LCD、EL、LD、LED)+LSI的組合感光體、(PD、CCD、CMOS傳感器)+LSI的形式、MEMS/生化(傳感器、傳動器)+LSI等的結合。
在功能多樣化的“More Than Moore”領域,功率半導體是其重要組成部分。雖然在不同應用領域,對功率半導體技術的要求有所不同,但從其發展趨勢來看,功率半導體技術的目標始終是提高功率集成密度,減少功率損耗。因此功率半導體技術研發的重點是圍繞提高效率、增加功能、減小體積,不斷發展新的器件理論和結構,促進各種新型器件的發明和應用。下面我們對功率半導體技術的功率半導體器件、功率集成電路和功率系統集成三個方面的發展趨勢進行梳理和分析。
1) 功率半導體(分立)器件
功率半導體(分立)器件國內也稱為電力電子器件,包括:功率二極管、功率MOSFET以及IGBT等。為了使現有功率半導體(分立)器件能適應市場需求的快速變化,需要大量融合超大規模集成電路制造工藝,不斷改進材料性能或開發新的應用材料、繼續優化完善結構設計、制造工藝和封裝技術等,提高器件功率集成密度,減少功率損耗。目前,國際上在功率半導體(分立)器件領域的熱點研究方向主要為器件新結構和器件新材料。
在器件新結構方面,超結(Super-Junction)概念的提出,打破了傳統功率MOS器件理論極限,即擊穿電壓與比導通電阻2.5次方關系,被國際上譽為“功率MOS器件領域里程碑”。超結結構已經成為半導體功率器件發展的一個重要方向,目前國際上多家半導體廠商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用該技術生產低功耗MOS器件。對于IGBT器件,其功率損耗和結構發展如圖2所示。從圖中可以看到,基于薄片加工工藝的場阻(Field Stop)結構是高壓IGBT的主流工藝;相比于平面結結構(Planar),槽柵結構(Trench)IGBT能夠獲得更好的器件優值,同時通過IGBT的版圖和柵極優化,還可以進一步提高器件的抗雪崩能力、減小終端電容和抑制EMI特性。
功率半導體(分立)器件發展的另外一個重要方向是新材料技術,如以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料。寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強等特點,是高壓、高溫、高頻、大功率應用場合下極為理想的半導體材料。寬禁帶半導體SiC和GaN功率器件技術是一項戰略性的高新技術,具有極其重要的軍用和民用價值,因此得到國內外眾多半導體公司和研究結構的廣泛關注和深入研究,成為國際上新材料、微電子和光電子領域的研究熱點。
2) 功率集成電路(PIC)
功率集成電路是指將高壓功率器件與信號處理系統及接口電路、保護電路、檢測診斷電路等集成在同一芯片的集成電路,又稱為智能功率集成電路(SPIC)。智能功率集成作為現代功率電子技術的核心技術之一,隨著微電子技術的發展,一方面向高壓高功率集成(包括基于單晶材料、外延材料和SOI材料的高壓集成技術)發展,同時也向集成更多的控制(包括時序邏輯、DSP及其固化算法等)和保護電路的高密度功率集成發展,以實現功能更強的智能控制能力。
3)功率系統集成
功率系統集成技術在向低功耗高密度功率集成技術發展的同時,也逐漸進入傳統SoC和CPU、DSP等領域。目前,SoC的低功耗問題已經成為制約其發展的瓶頸,研發新的功率集成技術是解決系統低功耗的重要途徑,同時,隨著線寬的進一步縮小,內核電壓降低,對電源系統提出了更高要求。為了在標準CMOS工藝下實現包括功率管理的低功耗SoC,功率管理單元需要借助數字輔助的手段,即數字輔助功率集成技術(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技術是近幾年數字輔助模擬設計在功率集成方面的深化與應用,即采用更多數字的手段,輔助常規的模擬范疇的集成電路在更小線寬的先進工藝線上得到更好性能的電路。
4我國功率半導體發展現狀、
問題及發展建議
在中國半導體行業中,功率半導體器件的作用長期以來都沒有引起人們足夠的重視,發展速度滯后于大規模集成電路。國內功率半導體器件廠商的主要產品還是以硅基二極管、三極管和晶閘管為主,目前國際功率半導體器件的主流產品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先進的超結低功耗功率MOS尚無法生產,另一主流產品IGBT尚處于研發階段。寬禁帶半導體器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)為主,尚未有針對市場應用的寬禁帶半導體功率器件(電力電子器件)的產品研發。目前市場熱點的高壓BCD集成技術雖然引起了從功率半導體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關注,但目前尚未有成熟穩定的高壓BCD工藝平臺可供高性能智能功率集成電路的批量生產。
由于高性能功率半導體器件技術含量高,制造難度大,目前國內生產技術與國外先進水平存在較大差距,很多中高端功率半導體器件必須依賴進口。技術差距主要表現在:(1)產品落后。國外以功率MOS為代表的新型功率半導體器件已經占據主要市場,而國內功率器件生產還以傳統雙極器件為主,功率MOS以平面工藝的VDMOS為主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件優值的功率MOS器件產品,國際上熱門的以超結(Super junction)為基礎的低功耗MOS器件國內尚處于研發階段;IGBT只能研發基于穿通型PT工藝的600V產品或者NPT型1200V低端產品,遠遠落后于國際水平。(2)工藝技術水平較低。功率半導體分立器件的生產,國內大部分廠商仍采用IDM方式,采用自身微米級工藝線,主流技術水平和國際水平相差至少2代以上,產品以中低端為主。但近年來隨著集成電路的迅速發展,國內半導體工藝條件已大大改善,已擁有進行一些高端產品如槽柵功率MOS、IGBT甚至超結器件的生產能力。(3)高端人才資源匱乏,尤其是高端設計人才和工藝開發人才非常缺乏?，F有研發人員的設計水平有待提高,特別是具有國際化視野的高端設計人才非常缺乏。(4)國內市場前十大廠商中無一本土廠商,半導體功率器件產業仍處在國際產業鏈分工的中低端,對于附加值高的產品如IGBT、AC-DC功率集成電路,現階段國內僅有封裝能力,不但附加值極低,還形成了持續的技術依賴。
筆者認為,功率半導體是最適合中國發展的半導體產業,相對于超大規模集成電路而言,其資金投入較低,產品周期較長,市場關聯度更高,且還沒有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業。但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面,應大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。
功率半導體芯片不同于以數字集成電路為基礎的超大規模集成電路,功率半導體芯片屬于模擬器件的范疇。功率器件和功率集成電路的設計與工藝制造密切相關,因此國際上著名的功率器件和功率集成電路提供商均屬于IDM企業。但隨著代工線的迅速發展,國內如華虹NEC、成芯8英寸線、無錫華潤上華6英寸線均提供功率半導體器件的代工服務,并正積極開發高壓功率集成電路制造平臺。功率半導體生產企業也應借鑒集成電路設計公司的成功經驗,成立獨立的功率半導體器件設計公司,充分利用代工線先進的制造手段,依托自身的銷售網絡,生產高附加值的高端功率半導體器件產品。
設計弱于芯片的局面起源于設計力量的薄弱。雖然國內一些功率半導體生產企業新近建設了6英寸功率半導體器件生產線,但生產能力還遠未達到設計要求。筆者認為其中的關鍵是技術人員特別是具有國際視野和豐富生產經驗的高級人才的不足。企業應加強技術人才的培養與引進,積極開展產學研協作,以雄厚的技術實力支撐企業的發展。
我國功率半導體行業的發展最終還應依靠功率半導體IDM企業,在目前自身生產條件落后于國際先進水平的狀況下,IDM企業不能局限于自身產品線的生產能力,應充分依托國內功率半導體器件龐大的市場空間,用技術去開拓市場,逐漸從替代產品向產品創新、牽引整機發展轉變;大力發展設計能力,一方面依靠自身工藝線進行生產,加強技術改造和具有自身工藝特色的產品創新,另一方面借用先進代工線的生產能力,壯大自身產品線,加速企業發展。
5結束語
總之,功率半導體技術自新型功率MOS器件問世以來得到長足進展,已深入到工業生產與人民生活的各個方面。與國外相比,我國在功率半導體技術方面的研究存在著一定差距,但同時日益走向成熟?？傮w而言,功率半導體的趨勢正朝著提高效率、多功能、集成化以及智能化、系統化方向發展;伴隨制造技術已進入深亞微米時代,新結構、新工藝硅基功率器件正不斷出現并逼近硅材料的理論極限,以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體器件也正不斷走向成熟。
我國擁有國際上最大的功率半導體市場,擁有迅速發展的半導體代工線,擁有國際上最大規模的人才培養能力,但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面。功率半導體行業應加強技術力量的引進和培養,大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。
高性能集成電路的概念范文3
關鍵詞 現場可編程門陣列；設計；可編程器件；發展
中圖分類號TN7 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）99-0077-02
近年來，伴隨著電子技術和超大規模集成電路技術的飛速發展，集成電路的集成度越來越高，集成主板上的系統規模也不斷的提高，這也為系統設計帶來了新要求?，F場可編程門陣列作為超大規模集成電路技術的一種，已經廣泛的應用在通信、圖形處理、計算機等多個領域之中，是當前電子系統中最為重要的組成部分，FPGA器件設計也越來越受到人們重視。
1 FPGA概述
FPGA在目前的通信、遙控、計算機、圖形等領域廣泛的應用，已成為當今電子系統中最為關鍵、最為重要的組成部分。伴隨著社會生產技術的發展，FPGA器件的設計越來越受到關注，已成為電子技術工作人員設計的核心課題之一。
1.1 FPGA概念
FPGA是現場可編程門列陣的簡稱，它的出現是給電子技術、數字系統設計帶來了質的變化。它是由它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件在社會發展的基礎上形成的一種新產物，作為專用集成電路領域的應用而產生的一種定制電路不足現象，這也克服了傳統可編程器件門電路數有限的缺點，給集成電路技術的發展指明了新方向。
1.2 FPGA優點
現場可編程門陣列是一種可編程使用的信號處理器件，它可以通過用戶來改變配置信息的功能的特點而受到社會各界人士的關注。FPGA與傳統的數字電路系統相比較，它具備著可編程、集成程度高、運行速度快、可靠性好的優勢，可以通過配置有關器件內部的邏輯功能和輸入、輸出端口來將其與原來的電路板連接起來，從而提高電路的性能，減少電路在運行中所產生的其他隱患，有效的提高工作的靈活性和效率。
它與ASIC相比較，具備著顯著的優勢，如開發周期短、產品上市速度快、市場適應能力強以及未來發展空間大的特點。在目前的社會發展中，一個產品在定型和投入市場之后，很難再對其進行改進和優化，而在FPGA的設計工作中，我們可以迅速的將其轉變成為專用的芯片，從而進行生產。
2 FPGA的發展歷程
2.1 FPGA的過去發展
FPGA最早出現于上個世紀七十年代，它自誕生以來以其通用型能力好、適應性強的優勢得到了迅速的發展，同時也改變了傳統器件的固定功能，從根本上改變了傳統期間功能的研制和發展。在當前社會發展中，采用FPGA進行工作的時候，用戶可以直接通過編程的方式來實現所需要的邏輯功能，而無需要依賴于傳統的芯片功能要求。
FPGA由于本身具備著門陣列器件的高度集成、通用性強的特點，又具備著用戶可編程靈活度高、在規模、密度上發展不受整體框架限制的優勢在過去的幾十年時間里得到了飛速發展，并且取得了一定的成績。
2.2 FPGA的發展趨勢
時至今日，FPGA市場逐步趨于規范，早已經改變了傳統的那種繁雜無章的市場模式，今天的FPGA生產商家只剩下了為數不多的幾家，雖然仍然不時出現新的生產廠家，但是由于其技術底蘊無法與這些老牌常見比較，大多都是曇花一現的現象，而無法得到大力發展。但是就那些老牌的廠家生產和研究分析，FPGA存在著集成程度高、結構靈活、結構可靠的優點而不斷的進行研制，且隨著半導體技術的完善和發展，這一技術的應用也越來越深入，相信在未來的發展中必然會迎來更進一步的發展。
3 FPGA設計技術
3.1可編程技術探討
在目前的FPGA設計工作中，我們常見的可編程技術主要包含有3種。
3.1.1 SRAM編程技術
SRAM編程技術被稱之為最基本的變成技術，是通過對傳輸管進行控制和存儲信息的讀寫來完成工作的。在設計的過程中，當傳輸管道接通的時候，SRAM單元內部的存儲信息可以通過數據傳輸端口來進行讀取或者改寫；而當傳輸管道中斷的時候，存儲的信息也會隨之靜置，形成一個首尾相連的鎖定狀態。
3.1.2 Flash和E2PROM編程技術
Flash和E2PROM技術在應用的過程中存在著穩定性好、非易失性的特點，在設計的過程中及時關閉電源，其內部存數的信息也不會發生損壞和丟失。在設計工作中，如果采用Flash進行設計，那么其內部的存儲單元會自動取消E2PROM隧道型存儲單元選擇關，通過采用一個信號一次性擦除的方式來存儲信息，進而增加器件的繼承性。這一技術與SBAM相比較，它結合了非易失性和可重復性的變成特點，因此具備著工作效率高、穩定性好的優勢。
3.1.3反熔絲變成技術
反熔絲變成技術在編程應用之前都是以開路狀態存在的，通過編程使得反熔絲結構局部發生變化，在瞬間產生大量的熱損耗現象，從而使得薄絕層的物質融化反應，進而形成永久性的通道。這種技術在應用的過程中可以說是集合了FPGA的非易失性和穩定性雙重優勢，使得信號傳輸路徑的電阻和電容問題得到了緩解，并且具備著安全性高的優點。但是它在應用中缺陷和極為明顯，主要表現在：無法重復變成、不能用于新產品開發；一次性進行編程且無法進行可靠檢測；在不同工藝下其所造成的工作差異也相當大。
3.2 FPGA前沿設計技術與未來發展趨勢
時至今日，在社會發展中半導體產品的應用越來越普遍，可謂是在各領域都已經趨于普及，在應用對于成本的控制都是以摩爾定律為基礎進行的，而作為半導體器件中最為關鍵的一部分——可編程邏輯器的應用越來越普遍，它在每一次工藝升級中都出現了新的轉變，在產品的功耗、頻率以及密度方面都得到了重大轉變。
受到深亞微米半導體工藝影響，傳統的設計和生產工藝面臨著越來越嚴峻的挑戰，在工作中如果仍然采用傳統的設計方法，在未來社會發展中必然無法滿足時代要求，這就需要在工作中對其進行優化和改進。這一工作的開展是以高密度、高性能為目標開展的，對于片上的資源集成度進行了更深層次的優化，為FPGA的技術發展奠定了理論基礎。
4 結論
為滿足用戶和市場日益變化的需求，FPGA不斷在密度、功能、性能和功耗等方面演變；面對深亞微米工藝帶來的各種不良影響，如漏電流、設計復雜度等，又迫切需要最切實際的解決方案。隨著挑戰的發展，可以預言，未來FPGA的設計技術必將繼續呈現出巨大的創新與進步。
參考文獻
高性能集成電路的概念范文4
隨著半導體工藝技術的不斷發展，EDA技術也不斷地推動著電子設計技術的發展。IC設計產業在不斷高度發展的同時也面臨著巨大的挑戰，產品上市周期越來越短、成本越來越低等要求都迫使設計者在進行電子設計時選用更高效的EDA技術。設計者在設計的過程中必須全面的考慮問題，不僅要考慮硬件的物理特性對設計時序及功能可靠性等的影響，同時也要選用合適的設計術語及抽象形式等數據來描述設計。EDA技術不僅需要測試深驗證亞微米技術的物理效應的能力同時也需要提供抽象設計的能力。EDA技術的發展離不開計算機、電子系統設計及集成電路等，EDA技術的發展大致上可以分為計算機輔助階段、計算機輔助工程設計階段及電子設計自動化階段這三個階段。電子輔助階段主要是在計算機輔助的前提下進行的電路原理圖編輯，用PCB進行布線布局，從而使得設計師從傳統的繪圖工作中解放出來。計算機輔助工程設計階段主要是解決電路設計中的電路檢測等問題，CAE以邏輯模擬、故障仿真及定時分析等為核心，從而使得設計可以提前預知產品的相關性能及功能。電子設計自動化階段主要是通過高級描述語言、綜合技術及系統仿真等“自上而下”的完成設計前期的高層次設計。
2EDA技術的要點分析
2.1硬件描述語言硬件描述語言是一種進行電子系統硬件設計的計算機語言，它通過軟件編程來具體的描述電子系統中的電路結合、連接形式及邏輯功能等，硬件描述語言適應于設計大規模的電子系統。高速集成電路（VHDL）硬件描述語言于1985年美國國防部推出的目的是為了克服EDA產品不兼容問題，同時也可以進行多層次設計。IEEE以VHDL為硬件描述語言柄灘以覆蓋之前的硬件描述語言的各種功能。IEEE是一種全方位的硬件描述語言，包括系統行為級、邏輯門級及寄存器傳輸等多個設計層次，同時也支持數據流、結構及行為等三種形式進行混合描述整個項目。VHDL硬件描述語言不僅移植性好，同時它的設計也方便了工藝間的轉換，而且VHDL使得設計人員的主要工作是進行實現與調試系統功能。
2.2ASIC設計在集成電路的設計中加入ASIC芯片可以解決電子系統集成電路存在的功耗的、可靠性差及體積大等主要問題。隨著現代電子產品市場的門檻不斷提高，ASIC芯片分為全定制或半定制ASIC及可編程，因此在設計ASIC芯片時應該盡可能的是芯片獲得最優的性能，從而達到高利用率、高速度及低耗能的目標。
3EDA技術在電子設計流程
EDA技術是系統級的設計方法，是一種層次相對較高的電子設計方式，EDA技術以概念為驅動從而使電子設計工作者在設計時無需利用門級原理圖，電子設計工作者在確定設計目標之后就可以用EDA技術來表述電路，這樣不僅可以減少電路細節的約束及限制，同時也可以使設計者的設計更具創造性。EDA系統在電子設計人員將概念構思及高層次的描述輸入計算機之后在系統規則下完成對電子產品的設計。EDA技術的電子設計工作流程大致包括系統劃分、代碼級功能仿真、VHDL代碼或圖形的輸入、送配前時序仿真及ASIC實現部分。首先，電子設計借助文本或者圖形編輯器呈現出設計描述，也就是實現設計表述。其次，電子設計借助編譯器對設計進行錯排編譯，即輸入HDL程序。然后，設計人員需要溝通軟件和硬件設計，以便實施功能仿真，即綜合。最后，在確認仿真設計無誤時，通過FPGA或CPLD完成邏輯映射操作，即編程下載，系統級設計完成?；贓DA技術電子設計流程如圖。
4EDA技術的應用
EDA技術在電子工程設計中扮演著非常重要的角色，它的作用體現在不同的方面。首先，電子自動化技術可以驗證電路設計方案的正確性，在進行電子設計時，待設計方案確定之后，會利用結構模擬或者系統仿真等方式來驗證設計方案的正確性，在驗證過程中系統中的各個環節的傳遞函數確定之后設計方案便可以實現。這種系統仿真技術推廣到非電子專業的系統設計也會得到充分的發展。EDA技術在系統進行仿真之后的電路結構進行模擬分析，從而使得電路設計方案的可行性及正確性得到充分的保障。其次，電子自動化字數也可以對電路特性進行優化設計。電路的穩定性能受到元器件容差及工作環境溫度等的影響。在傳統設計過程中難以對電路的整體進行優化設計，也無法全面的分析電路穩定性的影響因素。EDA技術中的溫度分析及統計分析等功能的應用則可以全面的分析電路特性影響因素，從而對電路特性進行整體的優化設計。最后，電子自動化技術也可以實現電路特性的全功能模擬測試。
5以EDA技術為基礎電子設計的注意事項
高性能集成電路的概念范文5
關鍵詞：自動化儀表；嵌入式系統；自動化；網絡化
信息化社會背景下網絡技術與微電子技術迅猛發展，自動化儀表也進行相應升級和創新，通信信息技術和計算機技術、新型精密元件零件和智能化系統研發和應用一定程度上影響了自動化儀表結構跳幀，通過運用嵌入式系統網絡技術實現了儀表遠程監督和控制，實時傳輸和預報儀表運行故障以及上傳相關信息，在自動化儀表強化傳感測量計算、補償網絡與顯示等功能基礎上增加自動化信息處理、信息判斷、智能化運行以及自動診斷運行故障等功能，嵌入式系統為自動化儀表創新發展提供技術條件。
1軟硬件系統設計是新型儀表設計模式
常規儀表儀器設計流程和內容是先對系統硬件進行設計，然后制定系統軟件，再對系統硬件和軟件進行反復測試調整。通常在系統流程或運行中發現故障和內部元件錯誤后進行維修，會使得儀表修改難度加大甚至難以進行，所以需要進行重新設計，使得儀表開發進度受到影響，儀表開發周期延長，無形中增加成本費用。軟硬件協同設計是近年來作為新型設計模式，又可以稱為軟硬件一體化設計。自動化儀表嵌入式系統研發過程中，系統軟件和系統硬件開發緊密相關，互相作用。在研發過程中對軟件和硬件進行功能劃分需要結合系統功能描述內容，在實際設計環節中首先對嵌入式系統進行功能運行測試，確保系統功能與實際需求相符合，進行軟硬件協同模式測試，實現軟件和硬件綜合開發。軟硬件系統設計模式具有功能分化清晰明確、軟件開發周期短等特征，對新型自動化儀表設計提供了技術指導，同時也符合市場發展和社會經濟需求。嵌入式系統研發主要內容是系統內部各功能模塊劃分，軟件硬件設計、協同設計測試模擬主要分為四方面內容：第一，協同設計系統功能劃分需要先對系統各個功能進行了解采集，編制功能運行指令，例如使用無關語言的描述方式，初級數學公式或者算法級描述，對系統功能進行準確測試模擬。第二，軟件硬件功能劃分主要對系統設計內容和限制條件進行掌握，對軟件和硬件功能仔細分類，確保系統設計方案科學合理。第三，系統協同測試模擬是對軟件和硬件設計綜合，運用通信技術實現對整個系統進行監督和掌控，進行測試模擬相關數據分析，及時發展各種安全隱患和問題，并加以修改。第四，軟件和硬件設計綜合后，實施協同模擬測試，完成系統設計綜合集成。軟件構件設計中包括編制、翻譯、匯總以及綜合四方面內容、硬件構件設計中包括邏輯設計、半途設計以及綜合設計等內容。軟件硬件協調設計方案通過運用并行寫作設計概念，有效降低了方案設計時間，提高了設計質量和效率。嵌入式系統軟件硬件協調設計在整個系統流程中可以分層為：首先，設計需求和產品定義，設計方案目的；其次，系統概念層級設計初級系統模式結構，系統運行結構流程設計，綜合軟件硬件協調測試模擬過程；最終，系統設計詳細層次，對軟件、硬件和系統界面設計，綜合評價系統設計。
2嵌入式處理器是新型自動化儀表設計核心內容
隨著單片機及微型控制器智能化程度越來越高、系統技術越來越成熟以及使用功能越來越豐富等特點，被廣泛應用越自動化儀表運行中。這對嵌入式處理器要求越發嚴格，在減少耗能和占地面積基礎上，引入芯片集成電路技術，有效控制處理器成本價格，確保高性能嵌入式處理器在新型自動化儀表發揮最大性能。自動化儀表設計要考慮數字信號頻譜分析和濾波技術、快速傅氏變換算法，運用效率較高編譯方法，制定速度快的運行指令。通過運用高性能集成處理器可以實現更多附加功能，例如三十二位內核運算集成完成的通信系統，支持各種通信協議下的同步協議渠道。AcornRISCMachine微型處理器種類較多，從功能上分，主要用于通信功能的有DSP集成協同處理器、用來支持各類計算機平臺應用軟件和專用網絡等，滿足了用戶多種需求，選擇高性能嵌入式處理器可以實現更多功能。
3嵌入式網絡技術實現自動化儀表網絡信息化
實現自動化儀表網絡信息化需要采用高性能處理器和硬件系統，制定儀表連接網絡困難解決方案，采用多媒體信息交換機與單片機及微型控制器協議連接網絡。增設網關，緩解嵌入式系統上網難題，提高嵌入式系統結構的網絡管理工具，全面監督和掌控嵌入式組織結構和設備。通過運用嵌入式網絡技術實現儀表網絡數據采集、遠程控制監督以及保存共享等功能，極大程度上發揮了系統性能，打破同一范圍內信息采集分析與保存共享傳統模式，為網絡平臺和技術為依托，進行儀表遠程控制，用戶可以通過網頁瀏覽器獲取需要的數據信息。結合自動化儀表實際運行需求，從系統調度、內存信息等環節進行管理，實時監督系統任務切換或中斷。系統硬件引用高性能嵌入式處理器，提高硬件調度管理效率、系統軟件可以獨立完成計算分析和顯示儲存等功能，高度實現智能化處理模式，通過補償網絡調整校準自動化儀表準確程度，確保儀表自動化運營精準性。
4結束語
綜上所述，新型自動化儀表需要自主學習和處理多種復雜測試模擬程度，引用智能化嵌入式系統和高性能嵌入式處理器，科學開發設計新型自動化儀表。結合軟硬件協同設計模式和操作系統技術，實現新型自動化儀表高效平穩運行。
參考文獻
[1]厲玉鳴.化工儀表及自動化.第3版[M].北京：化學工業出版社，1999.
高性能集成電路的概念范文6
硅與光的半世姻緣
1960年，Ted Maiman發明了第一個激光器，而這項發明在最初一段時間內并無任何實際用途，人們還不知道激光可以用來做些什么。半個世紀之后，激光已經成為醫藥、制造、娛樂領域的重要工具，并且推動了所有遠程通信的發展。然而，由于成本的限制，激光及相關的器件還沒有成為日常生活應用的常客。
1959年，仙童半導體公司的Robert Noyce(英特爾公司的創始人之一)和德州儀器的工程師Jack Kilby幾乎同時發明了基于硅的集成電路，而前者的發明更加適合進行商業化。半個世紀之后，硅集成電路由當初的2個晶體管發展到現在的數十億個晶體管，并不斷提高性能、降低計算成本，摩爾定律更推動著半導體芯片技術持續高速前進，取得一個又一個革命性的技術突破，我們的計算設備也從大型機、小型機，向著工作站、臺式機、筆記本電腦、平板電腦、智能手機這樣的小型化之路發展。
將半導體制造技術的大批量、低成本、高集成度、靈活擴展等特性，與激光器(及光纖)的超高帶寬、長距離、低功耗、無電磁干擾等特性結合起來，這個大膽的設想在英特爾的工程師腦中已經孕育了近10年，并且在過去的六七年時間里一步一個腳印地解決了激光的發射、操縱、結合、分離和探測的技術難題，成功開發并產品化了LightPeak技術(公布于2009年9月24日的秋季IDF大會上)，為各種外部設備與PC之間的高速低成本光連接提供了成熟的解決方案。
英特爾公司首席技術官、高級院士兼英特爾研究院總監賈斯汀在大會主題演講中向人們描繪了2015年利用高速光連線技術的驚人體驗。屆時，用戶將擁有150億個消費電子設備能夠提供電視內容，可供播放的視頻將達到成百數千億個小時。LightPeak技術將提供10Gb，s的高帶寬，支持更小的設備接口以及更長、更細、更靈活的主流光連線技術，并可通過單根連線連接任何設備。
從電到光，潛力無窮
現在人們使用的計算機組件都是通過銅纜或電路板上的線路互相連接的。由于使用銅等金屬進行數據傳輸會產生信號衰減，這些纜線所允許的最大長度十分有限。這極大束縛了計算機的設計，迫使處理器、內存和其他組件相互間的距離必須設置在幾英寸以內。今天公布的研究成果，使我們向著以超輕超細光纖替代金屬連接線路的目標又前進了一步，從而在更長的距離上傳輸更多的數據，徹底改變未來計算機的設計方式及數據中心的架構方式。
硅光電技術將在計算行業實現廣泛的應用。例如，有了如此高速的數據傳輸速度，你可以想象家庭娛樂和視頻會議也能享受墻體般大小的3D屏幕，而且高清的體驗會讓你感覺演員或者家人似乎就在你身邊。未來數據中心或超級計算機的組件可能會分布在整個大樓甚至園區的不同位置，相互之間進行高速通信，完全不同于如今基于容量和傳輸距離有限的銅線的設計。這將幫助搜索引擎公司、云計算服務提供商或金融數據中心等數據中心用戶提高性能和容量、節約空間與能源成本；或者幫助科學家構建更強大的超級計算機來解決世界面臨的重大問題。
英特爾首席技術官兼英特爾研究院總監賈斯汀(Justin Rattner)在美國加州Monterey舉行的集成光電技術研究大會上展示了這款硅基光電聯結系統原型。這個傳輸速度高達50Gbps的聯結系統類似于一款“概念車”，讓英特爾研究人員可以在此聯結系統上測試新想法，基于成本低廉且易于制造的硅繼續開發利用光束在光纖上傳輸數據的技術，而不是使用像砷化鎵這樣的特殊材料做成的成本昂貴、制造困難的元件。盡管電信及其它領域已經在使用激光來傳輸信息，但對于PC行業來說，目前的技術應用成本還過于昂貴且元件體積過大。
賈斯汀表示：“我們的長期愿景是‘硅化’光子，把高帶寬、低成本的光通信引入未來的PC、服務器和消費設備中。這款全球首次利用集成混合硅激光器開發的50Gbps硅基光電聯結系統標志著實現這一愿景的重要里程碑?！?/p>
下下一代的LiqhtPeak技術?
這個50Gbps硅基光電聯結系統原型是英特爾在硅光電學領域多年研究的結晶，其中包括了數個“世界第一”的研究成果。它包含一個硅發射器和一個接收器芯片，兩者都集成了所有必需的構建模塊，并融入英特爾歷年來的多項突破性技術成果，包括與加州大學圣塔芭芭拉分校合作開發的第一個混合硅激光器以及2007年的高速光調制器和光電探測器。
發射器芯片包括四個激光器，通過它們發射的光束分別進入一個光調制器，而后者則以12.5Gbps的速度對數據進行編碼。然后，這四條光束將被集中起來并輸出到一條光纖內，總的數據傳輸速率將達到50Gbps。在聯結系統的另一端，接收器芯片會對這四條光束進行分離，并導人到各光電探測器中，后者把數據轉換回電信號。兩個芯片都使用PC行業常用的低成本制造技術進行裝配。通過提高調制器速度和增加每個芯片激光器數量的方式，英特爾研究人員正在努力提高數據傳輸速率，為未來的Tb/s級光學聯結系統鋪平道路。Tb/s級光學聯結系統可以在一秒鐘內完成一臺筆記本電腦中所有內容的傳輸。
