AMD UltraScale架構(gòu)：高性能FPGA與SoC的技術(shù)剖析

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高性能FPGA和MPSoC/RFSoC的需求日益增長。AMD的UltraScale架構(gòu)憑借其創(chuàng)新的技術(shù)和卓越的性能，成為了眾多工程師的首選。本文將深入剖析UltraScale架構(gòu)的各個(gè)方面，為電子工程師們提供全面的技術(shù)參考。

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架構(gòu)概述

UltraScale架構(gòu)涵蓋了高性能FPGA、MPSoC和RFSoC等多個(gè)產(chǎn)品系列，旨在通過創(chuàng)新技術(shù)滿足廣泛的系統(tǒng)需求，同時(shí)降低總功耗。不同系列的產(chǎn)品針對(duì)不同的應(yīng)用場景進(jìn)行了優(yōu)化，以下是各系列的簡要介紹：

• Spartan UltraScale+ FPGAs：成本優(yōu)化型器件，具有高I/O與邏輯比以及集成內(nèi)存控制器，適用于對(duì)成本敏感的廣泛應(yīng)用。
• Artix UltraScale+ FPGAs：在成本優(yōu)化的器件中提供最高的串行帶寬和信號(hào)計(jì)算密度，適用于關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、視覺和視頻處理以及安全連接。
• Kintex UltraScale FPGAs：注重性能與價(jià)格的平衡，采用單片和堆疊硅互連（SSI）技術(shù)，具有高DSP和塊RAM與邏輯比以及收發(fā)器，結(jié)合低成本封裝，實(shí)現(xiàn)了性能與成本的最佳結(jié)合。
• Kintex UltraScale+ FPGAs：性能提升，片上UltraRAM內(nèi)存增加，降低了BOM成本，是高性能外設(shè)和經(jīng)濟(jì)高效系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的理想選擇。
• Virtex UltraScale FPGAs：高容量、高性能FPGA，采用單片和SSI技術(shù)，通過集成各種系統(tǒng)級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)了最高的系統(tǒng)容量、帶寬和性能。
• Virtex UltraScale+ FPGAs：在UltraScale架構(gòu)中提供最高的收發(fā)器帶寬、最高的DSP數(shù)量和最高的片上及封裝內(nèi)內(nèi)存，具有多種電源選項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能與最小功耗的最佳平衡。
• Zynq UltraScale+ MPSoCs：將基于Arm? v8的Cortex? - A53高性能節(jié)能64位應(yīng)用處理器與Arm Cortex - R5F實(shí)時(shí)處理器和UltraScale架構(gòu)相結(jié)合，提供前所未有的節(jié)能、異構(gòu)處理和可編程加速。
• Zynq UltraScale+ RFSoCs：將RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)和前向糾錯(cuò)與可編程邏輯和異構(gòu)處理能力相結(jié)合，為多頻段、多模式蜂窩無線電和電纜基礎(chǔ)設(shè)施提供關(guān)鍵子系統(tǒng)。

關(guān)鍵技術(shù)特性

1. I/O與收發(fā)器

• I/O接口：UltraScale架構(gòu)的器件通過高性能并行SelectIO?接口和高速串行收發(fā)器連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。I/O塊通過靈活的I/O標(biāo)準(zhǔn)和電壓支持，為前沿的內(nèi)存接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供支持。串行收發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)58.0 Gb/s，相比上一代收發(fā)器，每比特功耗顯著降低，支持25G +背板設(shè)計(jì)。
• 收發(fā)器類型：包括GTH、GTY和GTM（僅FPGA）、PS - GTR（僅MPSoC和RFSoC的PS部分）。不同類型的收發(fā)器在不同系列的產(chǎn)品中使用，以滿足不同的應(yīng)用需求。所有收發(fā)器除PS - GTR外，均支持PCIe的8.0 GT/s（Gen3）和16.0 GT/s（Gen4）所需的數(shù)據(jù)速率。

2. PCIe與高速連接

• PCIe集成塊：UltraScale架構(gòu)使用三種不同的PCIe集成塊，支持多種配置和速率，可作為端點(diǎn)或根端口，實(shí)現(xiàn)靈活的PCIe通信。AMD還提供LogiCORE? IP選項(xiàng)，方便設(shè)計(jì)師配置PCIe集成塊。
• 高速連接協(xié)議：支持150 Gb/s Interlaken和100 Gb/s以太網(wǎng)（100G MAC/PCS），擴(kuò)展了UltraScale器件的功能，支持簡單可靠的Nx100G交換機(jī)和橋接應(yīng)用。

3. 時(shí)鐘管理

• 時(shí)鐘管理單元（CMT）：每個(gè)CMT包含一個(gè)混合模式時(shí)鐘管理器（MMCM）和兩個(gè)PLL，為器件提供靈活的時(shí)鐘合成、緩沖和路由功能。MMCM可作為頻率合成器和抖動(dòng)濾波器，具有多種工作模式和功能，如分?jǐn)?shù)計(jì)數(shù)器和相位偏移控制。PLL主要為專用內(nèi)存接口電路提供時(shí)鐘。
• 時(shí)鐘分布：時(shí)鐘通過緩沖器在UltraScale器件中分布，有多種類型的時(shí)鐘緩沖器可供選擇，支持時(shí)鐘門控和無毛刺時(shí)鐘切換。Zynq UltraScale+ MPSoCs和RFSoCs的PS部分還配備了額外的PLL，用于獨(dú)立配置四個(gè)主要時(shí)鐘域。

4. 內(nèi)存接口

• 外部內(nèi)存支持：UltraScale器件支持多種外部內(nèi)存接口，如DDR4、DDR3、QDRII +和RLDRAM3等。每個(gè)I/O銀行中的PHY塊生成地址/控制和數(shù)據(jù)總線信號(hào)協(xié)議以及精確的時(shí)鐘/數(shù)據(jù)對(duì)齊，以實(shí)現(xiàn)與高性能內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)的可靠通信。部分Spartan UltraScale+器件還集成了內(nèi)存控制器，用于連接外部LPDDR4x和LPDDR5內(nèi)存。
• 串行內(nèi)存通信：除了外部并行內(nèi)存接口，UltraScale架構(gòu)的器件還可以通過高速串行收發(fā)器與外部串行內(nèi)存（如混合內(nèi)存立方體HMC）進(jìn)行通信，支持最高帶寬的HMC配置。

5. 邏輯資源

• 可配置邏輯塊（CLB）：每個(gè)CLB包含8個(gè)LUT和16個(gè)觸發(fā)器，LUT可配置為6輸入LUT或兩個(gè)5輸入LUT。CLB還包含算術(shù)進(jìn)位邏輯和多路復(fù)用器，用于創(chuàng)建更廣泛的邏輯功能。有兩種類型的切片：SLICEL和SLICEM，SLICEM中的LUT可配置為64位RAM、32位移位寄存器（SRL32）或兩個(gè)SRL16。
• 互連資源：UltraScale架構(gòu)具有各種長度的垂直和水平路由資源，確保所有信號(hào)能夠輕松從源傳輸?shù)侥康牡?，支持下一代寬?shù)據(jù)總線的路由，提高了結(jié)果質(zhì)量和軟件運(yùn)行時(shí)間。

6. 數(shù)字信號(hào)處理（DSP）

• DSP切片：所有UltraScale器件都有許多專用的低功耗DSP切片，每個(gè)切片包含一個(gè)27 × 18位的二進(jìn)制補(bǔ)碼乘法器和一個(gè)48位累加器。DSP切片還具有額外的預(yù)加法器、96位寬的XOR功能和48位寬的模式檢測(cè)器，可用于提高性能和實(shí)現(xiàn)各種算法。
• 應(yīng)用擴(kuò)展：DSP切片提供廣泛的流水線和擴(kuò)展功能，不僅適用于數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用，還可用于其他領(lǐng)域，如寬動(dòng)態(tài)總線移位器、內(nèi)存地址生成器、寬總線多路復(fù)用器和內(nèi)存映射I/O寄存器文件。

7. 系統(tǒng)監(jiān)控

• 監(jiān)控功能：UltraScale架構(gòu)的系統(tǒng)監(jiān)控塊用于增強(qiáng)系統(tǒng)的整體安全性、可靠性和穩(wěn)定性，通過片上電源和溫度傳感器以及外部ADC通道監(jiān)控物理環(huán)境。所有基于UltraScale架構(gòu)的器件至少包含一個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控塊，UltraScale+ FPGAs和Zynq UltraScale+ MPSoCs/RFSoCs的PL部分的系統(tǒng)監(jiān)控塊具有額外的功能，如PMBus接口。
• 數(shù)據(jù)采集與訪問：在FPGA和MPSoCs/RFSoCs的PL部分，傳感器輸出和最多17個(gè)用戶分配的外部模擬輸入通過10位200kSPS ADC進(jìn)行數(shù)字化，測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器中，可通過內(nèi)部FPGA（DRP）、JTAG、PMBus或I2C接口訪問。Zynq UltraScale+ MPSoCs的PS部分的系統(tǒng)監(jiān)控塊使用10位1MSPS ADC進(jìn)行數(shù)字化，測(cè)量結(jié)果通過APB接口由處理器和平臺(tái)管理單元（PMU）訪問。

8. 配置與安全

• 配置方式：UltraScale架構(gòu)的器件將可編程邏輯配置存儲(chǔ)在SRAM型內(nèi)部鎖存器中，支持安全和非安全啟動(dòng)，有多種配置方法和數(shù)據(jù)格式可供選擇。FPGA支持主配置模式（如SPI、OSPI和BPI）和從配置模式，還提供新的媒體配置訪問端口（MCAP），方便通過PCIe進(jìn)行配置。
• 安全特性：支持安全啟動(dòng)，具有可選的解密和認(rèn)證邏輯，如RSA算法認(rèn)證。配置塊提供256位AES - GCM解密能力，大多數(shù)FPGA系列支持使用RSA - 2048和SHA - 3/384進(jìn)行非對(duì)稱比特流認(rèn)證。此外，還具備SEU檢測(cè)和糾正、部分重新配置支持等功能，所有系列支持eFUSE技術(shù)用于AES密鑰存儲(chǔ)，除Spartan UltraScale+ FPGAs外，其他系列支持電池備份RAM用于AES密鑰存儲(chǔ)。

產(chǎn)品對(duì)比與選型

不同系列的UltraScale產(chǎn)品在資源和性能上存在差異，工程師在選型時(shí)需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行綜合考慮。例如，對(duì)于成本敏感的應(yīng)用，可以選擇Spartan UltraScale+ FPGAs；對(duì)于對(duì)帶寬和計(jì)算密度要求較高的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，Artix UltraScale+ FPGAs是不錯(cuò)的選擇；而對(duì)于高性能計(jì)算和大容量存儲(chǔ)需求，Virtex UltraScale+ FPGAs則更為合適。

總結(jié)

AMD的UltraScale架構(gòu)通過其創(chuàng)新的技術(shù)和豐富的功能，為電子工程師提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)平臺(tái)。無論是在通信、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)控制還是其他領(lǐng)域，UltraScale架構(gòu)的產(chǎn)品都能夠滿足不同的應(yīng)用需求。工程師們可以根據(jù)具體的項(xiàng)目要求，充分利用UltraScale架構(gòu)的各種特性，實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗、安全可靠的設(shè)計(jì)。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，UltraScale架構(gòu)也在不斷演進(jìn)，為未來的電子設(shè)計(jì)帶來更多的可能性。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過與UltraScale架構(gòu)相關(guān)的挑戰(zhàn)？你是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。