復(fù)雜度日益增加的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求高性能FPGA的設(shè)計(jì)與
PCB設(shè)計(jì)平行進(jìn)行。透過(guò)整合FPGA和PCB設(shè)計(jì)工具以及采用高密度互連(HDI)等先進(jìn)的制造制程，這種設(shè)計(jì)方法可以降低系統(tǒng)成本、最佳化系統(tǒng)性能并縮短設(shè)計(jì)周期。
電子產(chǎn)業(yè)背后的推動(dòng)力是對(duì)更快、更便宜的產(chǎn)品的需求以及在競(jìng)爭(zhēng)廠商之前將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。IC技術(shù)的進(jìn)步一直以來(lái)就是促使功能增加和性能提高的主要因素之一，而FPGA技術(shù)也一直以非常快的速度在發(fā)展。與過(guò)去FPGA僅僅用作膠合邏輯不同的是，現(xiàn)在FPGA已經(jīng)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)主要系統(tǒng)功能。FPGA的邏輯閘數(shù)已達(dá)1,000萬(wàn)，核心速度達(dá)到400MHz，能提供高達(dá)11Gbps的下一代晶片間通訊速度。而與此同時(shí)，它仍然保持著非常合理的成本，因此，與ASIC和定制IC相比，F(xiàn)PGA是一種更具有吸引力的選擇。
IC和FPGA技術(shù)的進(jìn)步對(duì)下游產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的效應(yīng)影響到了PCB產(chǎn)業(yè)，這些高接腳數(shù)和高性能封裝推動(dòng)新的PCB生產(chǎn)及設(shè)計(jì)技術(shù)具有諸如嵌入被動(dòng)元件、Gb訊號(hào)和EMI分析等功能，并對(duì)專(zhuān)用的高密度和高性能布線提出了需求。基本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法也在產(chǎn)生變化，對(duì)FPGA和PCB的設(shè)計(jì)可以平行進(jìn)行以降低系統(tǒng)成本、最佳化系統(tǒng)性能并縮短設(shè)計(jì)周期。
PCB和FPGA一般是在不同的設(shè)計(jì)環(huán)境下建立，過(guò)去這些設(shè)計(jì)方案很少相互溝通。然而，隨著高性能、高密度FPGA元件的日益流行，為滿足緊湊的上市時(shí)間表，如今PCB和FPGA設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須平行工作，不斷地交換數(shù)據(jù)和資訊以確保整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲得成功。
當(dāng)在PCB上實(shí)現(xiàn)高階FPGA時(shí)，設(shè)計(jì)工程師面臨性能最佳化和系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)率的雙重挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)工程師必須問(wèn)自己：是什么問(wèn)題使得過(guò)程慢了下來(lái)？需要做什么來(lái)獲得最佳性能？這些問(wèn)題的答案可幫助他們找出可實(shí)現(xiàn)更小、更便宜和更快系統(tǒng)的解決方案。
設(shè)計(jì)效率的挑戰(zhàn)
設(shè)計(jì)工程師需要平行設(shè)計(jì)PCB和FPGA時(shí)，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)工程師再也不能像以前那樣獨(dú)立地設(shè)計(jì)，然后將完成的FPGA設(shè)計(jì)交給PCB設(shè)計(jì)工程師就可了事。一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)計(jì)要求FPGA和PCB設(shè)計(jì)工程師從上至下的協(xié)作，各自做些折衷以保證最后得到一個(gè)最佳系統(tǒng)。平行設(shè)計(jì)的好處是它能減少設(shè)計(jì)周期、最佳化系統(tǒng)性能并降低制造成本。
平行設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于FPGA布局和布線工具得到的結(jié)果需要淮確、迅速地映射到原理圖和PCB布局中，同時(shí)PCB設(shè)計(jì)的任何改變也必須在FPGA上更新。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是先設(shè)計(jì)FPGA，然后再將它們交給PCB設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行電路板實(shí)現(xiàn)，如今這種做法不再可行。
如果FPGA設(shè)計(jì)/合成、布局/布線以及PCB設(shè)計(jì)環(huán)境沒(méi)有被整合，F(xiàn)PGA和PCB方案之間的溝通必須用人工的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于有幾百個(gè)接腳的小型FPGA，這可能還可以接受，但是，如今很多設(shè)計(jì)擁有多個(gè)高度復(fù)雜的FPGA，使用這種方法進(jìn)行資訊溝通將非常浪費(fèi)時(shí)間，并容易出錯(cuò)。僅僅是高接腳數(shù)FPGA的PCB原理圖符號(hào)的建構(gòu)和更新，就可以凸顯這個(gè)問(wèn)題。
另外一個(gè)問(wèn)題涉及到PCB上的大型FPGA。與小型FPGA的符號(hào)不同，大型FPGA的單個(gè)符號(hào)在一張?jiān)韴D放不下。這些符號(hào)必須透過(guò)功能分組被分成幾個(gè)符號(hào)，并在FPGA的設(shè)計(jì)反覆過(guò)程中保持不變。
FPGA設(shè)計(jì)工程師花費(fèi)大量時(shí)間調(diào)整性能、選擇正確的I/O接腳驅(qū)動(dòng)器/接收器，然而FPGA的設(shè)計(jì)并非僅受FPGA設(shè)計(jì)工程師的控制。當(dāng)在PCB上進(jìn)行FPGA的布局和布線時(shí)，設(shè)計(jì)環(huán)境可能要求改變FPGA的接腳分配，如果PCB工具中沒(méi)有FPGA設(shè)計(jì)規(guī)則，這可能成為一個(gè)重覆而費(fèi)時(shí)的過(guò)程。
此外，F(xiàn)PGA的I/O分配也成了一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題。設(shè)計(jì)工具需要能夠管理接腳分配，但它們必須能被PCB和FPGA設(shè)計(jì)工程師用來(lái)溝通接腳約束。PCB設(shè)計(jì)工程師無(wú)法產(chǎn)生一個(gè)阻止FPGA時(shí)序收斂的條件，而FPGA設(shè)計(jì)工程師也不能產(chǎn)生一個(gè)阻止系統(tǒng)時(shí)序收斂的條件。
FPGA的32位元匯流排必須直接與左邊連接器進(jìn)行通訊，這是一個(gè)高速匯流排，其上所有網(wǎng)路必須匹配以獲得適當(dāng)?shù)钠笨刂啤?/div>
為使所有的走線長(zhǎng)度與最長(zhǎng)網(wǎng)路相匹配，布線器增加很多蛇形走線。從PCB布線的角度來(lái)看，其結(jié)果是一團(tuán)糟：有很多額外的擁塞、太多額外的走線以及一個(gè)工作性能并非最佳的匯流排。
布線器也對(duì)所有的走線長(zhǎng)度與最長(zhǎng)走線進(jìn)行了匹配。即使這樣，每條走線的長(zhǎng)度也只有1.8英吋，而此前為3.2英吋，更短的匹配長(zhǎng)度使匯流排延遲減少到320皮秒。這種性能最佳化是整合FPGA和PCB設(shè)計(jì)過(guò)程的結(jié)果，它可獲得理想的FPGA接腳圖。
這個(gè)例子說(shuō)明了在PCB上裝配FPGA可能存在的挑戰(zhàn)，包括：額外的擁塞需要更長(zhǎng)的PCB設(shè)計(jì)時(shí)間完成布線；并非最佳的系統(tǒng)性能；額外的布線要求額外的PCB層，進(jìn)而增加制造成本。
功能方面的障礙
IC和FPGA元件已經(jīng)過(guò)最佳化以便得到更高性能，例如，它們現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)每秒數(shù)Gb的串列通訊性能。從時(shí)序收斂、訊號(hào)完整性以及全面降低PCB布線密度的角度來(lái)看，這種方法有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
1．時(shí)序校淮沒(méi)那么嚴(yán)格：時(shí)脈包含在串列訊號(hào)內(nèi)，因此設(shè)計(jì)工程師不需要管理時(shí)脈和數(shù)據(jù)之間的時(shí)序；
2．改善訊號(hào)完整性：所有訊號(hào)都使用差分線對(duì)，可提高訊號(hào)品質(zhì)；
3．布線簡(jiǎn)化：串列訊號(hào)沿一條路徑(實(shí)際上是差分線對(duì))傳輸，而不是在具有多條走線的匯流排上平行傳輸，這意味著互連需要較少的走線和層數(shù)；
4．晶片上端接：透過(guò)在FPGA內(nèi)整合可變電阻端接器，板上需要的表面黏著元件更少，可以節(jié)省空間并提高性能。在更新的元件裡還包含了晶片上電容，可節(jié)省更多的空間。
在系統(tǒng)中使用這些高階FPGA則使PCB設(shè)計(jì)成為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)取得成功的關(guān)鍵途徑，其中系統(tǒng)必須能高速執(zhí)行，并具有生產(chǎn)成本效益，還能按時(shí)完成設(shè)計(jì)。
每秒數(shù)Gb的通訊速度要求一套能夠進(jìn)行訊號(hào)走線并驗(yàn)證的全新工具。這時(shí)PCB上的走線、連接器和過(guò)孔也需要消耗功率，必須小心地對(duì)它們建模，用經(jīng)典的訊號(hào)完整性分析方法計(jì)算延遲、過(guò)衝/下衝和串?dāng)_。另外還必須用理解位元模式、預(yù)加重、均衡和眼圖，對(duì)工作在GHz頻率范圍的串列連接進(jìn)行建模。EDA和FPGA供應(yīng)商也正在協(xié)作，以‘設(shè)計(jì)套件’的形式提供淮確的元件模型、設(shè)計(jì)約束和參考設(shè)計(jì)，這都將提高設(shè)計(jì)品質(zhì)并縮短設(shè)計(jì)周期。
串列I/O還需要由公共系統(tǒng)約束驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)的PCB布局和布線技術(shù)，另外還須根據(jù)最大的匹配延遲以及用到的過(guò)孔數(shù)量嚴(yán)格控制差分線對(duì)的走線。
先進(jìn)的PCB制造技術(shù)
高階FPGA的高接腳數(shù)和高接腳密度產(chǎn)生的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要將FPGA裝配到PCB上，然后再將它們連接到板上的其它IC。在很小的面積上有如此多接腳，以致采用普通PCB制造制程幾乎不可能進(jìn)行內(nèi)部連線。其結(jié)果是，這些元件促進(jìn)了先進(jìn)PCB制造技術(shù)的采用，例如高密度互連(HDI)以及嵌入被動(dòng)元件等。
HDI在PCB上使用IC制造技術(shù)。HDI層沉積在傳統(tǒng)PCB壓合層上(例如FR4)，可以制造出很窄的走線和很小的過(guò)孔(微過(guò)孔)，并很容易使扇出遠(yuǎn)離高密度封裝，通常是球柵陣列(BGA)或晶片級(jí)封裝(CSP)。另外，使用這些HDI技術(shù)還需要能夠理解這種PCB和IC混合生產(chǎn)技術(shù)的專(zhuān)用PCB布局軟體。
HDI/微過(guò)孔的好處包括：
1.減少產(chǎn)品尺寸：PCB基板的高度和厚度降低，體積也減小了；
2.增加走線密度：每個(gè)元件的連線更多，而元件布置得更緊密；
3.降低成本：HDI能減少電路板的層數(shù)和面積，使每塊大的裸板能產(chǎn)出更多電路板，削減生產(chǎn)成本；
4.改善電氣性能：HDI的寄生效應(yīng)只有通孔的十分之一，其引線更短，噪音裕量更大；
5.降低無(wú)線電干擾(RFI)/EMI：因?yàn)榈仄矫娓咏蛘呔驮诒韺樱衫玫仄矫娴姆植茧娙荩蟠鬁p少RFI/EMI；
6.提高散熱效率：HDI層的絕緣介質(zhì)很薄，溫度梯度很高，可提高散熱性能；
7.提高設(shè)計(jì)效率：微過(guò)孔使雙面布局變得容易，還改善了元件接腳的走線(在焊盤(pán)上打過(guò)孔)，因而留出更多的內(nèi)層布線空間；
8.提高良品率(DFM)：由于間隙很小，HDI板幾乎不需要壓合；
9.減少層數(shù)：通常需要10到12層板的表面貼技術(shù)(SMT)，采用HDI制造制程只需6層就可以實(shí)現(xiàn)；
10.縮短設(shè)計(jì)周期：由于采用埋孔，布線空間更充足，可顯著減少設(shè)計(jì)時(shí)間。
此外，這些高接腳數(shù)元件需要很多去藕電容和端接電阻以保證工作性能，傳統(tǒng)的SMD被動(dòng)元件會(huì)佔(zhàn)用表面層的寶貴面積。透過(guò)將這些被動(dòng)元件嵌入到PCB內(nèi)層，PCB的尺寸可大幅減少，同時(shí)性能也能得到提高。
嵌入被動(dòng)元件具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括：
1.增加設(shè)計(jì)密度：將被動(dòng)SMD移入到內(nèi)層能讓其它元件布置得更緊密；
2.降低系統(tǒng)成本：雖然額外的步驟將增加生產(chǎn)成本，但是透過(guò)減少SMD并使電路板面積最小化，可降低整體系統(tǒng)成本；
3.減輕系統(tǒng)重量和電路板面積：去除SMD能減少電路板尺寸和重量；
4.提高性能：被動(dòng)元件可以非常靠近主動(dòng)元件，這可減少電感，提高性能；
5.提高可靠性和品質(zhì)：需要裝配的SMD越少意味著潛在的焊接故障越少；
6.增加功能：為增加功能創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，而不用擔(dān)心減少設(shè)計(jì)面積；
就像其它任何新興技術(shù)一樣，隨著支援它們的基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，其成本將下降。嵌入被動(dòng)元件技術(shù)便是如此，它曾經(jīng)僅用于非常先進(jìn)的設(shè)計(jì)，但現(xiàn)在它甚至用在那些要求小尺寸、高功能的消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中。
嵌入被動(dòng)元件的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要有便于高效設(shè)計(jì)的自動(dòng)化工具。如果由人工來(lái)定義庫(kù)元件，那么要設(shè)計(jì)具有不同參數(shù)值和公差的數(shù)百個(gè)被動(dòng)元件是不可能的，它需要由電阻和電容特性參數(shù)(來(lái)自零配件供應(yīng)商)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)綜合算法。這些綜合算法驅(qū)動(dòng)那些分析所有被動(dòng)元件所需的權(quán)衡工具，并幫助確定最佳材料組合和外形尺寸。這些權(quán)衡工具有助于減少電路板上的元件數(shù)量，減少生產(chǎn)步驟和最終成本。
本文小結(jié)
從事電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的公司需要FPGA工具和PCB設(shè)計(jì)工具進(jìn)行緊湊、雙向地整合，還需要EDA和FPGA供貨商緊密合作。有了這種整合與合作，他們才能達(dá)到上市時(shí)間和性能的目標(biāo)，否則日益增加的系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度將使設(shè)計(jì)過(guò)程停滯不前，并最終消減或吞噬公司的利潤(rùn)。
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