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什么是采用反熔丝技术的FPGA?

在当今快速发展的可编程门阵列技术中,有三种比较典型的编程技术,它们是SRAM编程技术、antifuse编程技术及EPROM或EEPROM编程技术。反熔丝(antifuse)技术的代表产品有Actel公司的ACT系列、CROSSPOINT公司的CP20K系列及已被Lattice收购的Quicklogic公司的pASIC1系列,其中Actel公司占有该类技术最大的市场份额。

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李欣

2019-10-25 14:58:35
一、何谓反熔丝技术?

反熔丝技术(antifuse technology)是相对于熔丝技术(fuse technology)而言的。我们知道熔丝技术广泛用于各种PLD中,例如PAL,当PAL在编程器中被烧录之后,原先短接的点变为断开了。反熔丝技术恰相反,原来断接的点在烧录之后,短接上了,这种短接是永久性的。Actel公司用的是他们称作PLICE的反熔丝技术。PLICE技术是在反熔丝点上部有一个多晶硅层,下层为一个N+扩散层,两层之间是ONO(Oxide-Nitride-Oxide)的绝缘层。在未编程状态下,反熔丝连接点阻抗超过100MΩ,呈断开状态;在编程以后,阻抗典型值为500Ω。CROSSPOINT与Quicklogic的反熔丝技术与Actel类似,它们是在两层金属或一层金属与一层多晶硅间有一层无定形硅,当一个约11V~20V电压加在反熔丝点以后,断接的点就短接上了,阻抗为50Ω~100Ω之间。

反熔丝技术的特点,决定了反熔丝单元较小,占用芯片面积小,工作频率高,有加密位,反拷贝,抗辐射抗干扰,不需外接PROM或EPROM,适合航天、军事、工业等各领域。反熔丝技术的缺点也是明显的,它只能一次编程,需要专门的编程器,这都潜在地影响了系统的开发成本。

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乔银栓

2019-10-25 14:58:40
二、ACT系列及其开发工具

Actel公司的FPGA一共有三代产品:ACT1、ACT2、ACT3。ACT1有A1010、A1010A、A1020、A1020A四种型号;ACT2有A1225、A1240、A1280三种型号;ACT3有A1415、A1425、A1440、A1460、A14100五种型号。三代产品总体情况列于表1中。

表一 (488-84B1.PCX)

ACT系列在体系结构上一脉相承,与门阵列相似,不同之处在于芯片上已有布好的布线资源,线与线之间通过反熔丝单元连接,由逻辑关系决定连线关系。硅片四周是I/O模块,内部是排成一行一行的逻辑功能块,这些逻辑功能块成矩阵状,行与行之间是水平布线资源,垂直布线资源穿过逻辑功能块与水平布线资源通过反熔丝单元相连。每一个水平布线资源有22根长线,这些长线被反熔丝单元分成长短不等的段,可以按需要连成长短不等的线。每一个垂直布线资源有13根长线。

ACT系列器件有两个专门的诊断检测管脚,在器件没有加密的情况下,利用开发系统和示波器可以同时显示芯片内部任意两网点的波形。

ACT1是Actel的第一代产品,用2.0μm、1.2μm双层金属CMOS工艺。ACT1的逻辑功能块由三个2:1的多路选择器及一个2输入或门组成,它们能完成四输入与非、与、或非、或关系,它没有专门的触发器与锁存器,它们是通过逻辑块中逻辑门构造的。ACT1触发器的翻转频率最高达95MHz,系统频率最大达40MHz。ACT1的输入输出管脚可以作输入、输出、三态输出、双向缓冲器,输入输出电平与TTL、CMOS兼容。

ACT2是Actel的第二代产品,与ACT1相比,除容量大大增加外,性能也得到了改进。ACT2的逻辑功能块有两种,C型与S型。C型逻辑功能块仅能完成一个8输入的组合逻辑功能,S型除了可以像C型一样完成8输入组合逻辑功能外,也可以完成一个7输入组合逻辑外加一个带清零端的D触发器或锁存器,完成时序功能。在ACT2中,C型模块与S型模块配对使用,这样优化了ACT的体系结构,使之适应大部分的设计。ACT2的输入输出模块与ACT1相比也得到了改进。在芯片中,上下两边与左右两边略有不同,左右两边模块作输出模块时,有二个输入,用户可以从模块上方连线与
下方连线任选其一作为其输入,大大增加了布线灵活性。上下两边的输入输出模块作输出使用时,只有一个输入。ACT2中还有两个专门的时钟网络,时钟网络是一种低偏移的、高扇出的模块,大大提高了系统时钟频率。16位计数器时钟频率最高可达85MHz,16位累加器时钟频率最高可达33MHz。

ACT3是Actel公司的第三代产品,提供了更高的系统性能,16位计数器频率超过了125MHz,系统频率达到了75MHz。ACT3保持了与ACT1、ACT2的兼容性,它具有高速度与高的I/O数。它的时钟网络增加到4个。ACT3的I/O模块在性能、复杂度上又比ACT2、ACT1得到了加强,输入输出模块中既有输入触发器又有输出触发器。输入输出管脚既可作输入、输出、三态输出,也可作双向缓冲器。

由于FPGA的单位成本相对较高,对一些批量较大的用户,Actel还可以提供MPGA(Mask Programmed Gate Array),它在管脚、性能上与FPGA兼容,由厂家掩膜定制,用户只需提交FPGA的文档,厂家代为转化成MPGA,这大大降低了单位芯片成本。

Actel公司FPGA开发工具Action Logic System(ALS)是一个高效的计算机辅助设计环境,用于开发ACT系列FPGA,使用流行的菜单形式完成从概念到硅片的设计,系统包括软件开发环境、编程器、测试分析工具。ALS支持PC与工作站等各种平台。ALS设计流程类似于大多数FPGA开发流程,先经过第三方厂商的软件进行逻辑图录入,录入完毕就可以在逻辑图上进行功能模拟。功能模拟后再用Pin Editor软件把I/O分配到具体器件的具体管脚上,可以人工分配也可由软件自动分配。管脚分配完成以后,再进行自动布局布线,ALS一般能保证在85%~95%的逻辑模块利用率情况下,达到100%的布通率。ALS可以利用布局布线信息,对威廉希尔官方网站 中关键路径进行时序分析,查出不符合设计的地方进行修改。修改完毕确认无错后,对器件编程及测试,芯片插入系统即可对系统进行调试。
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