Ａｃｔｅｌ系列ＦＰＧＡ的特點

FPGA按照工藝來分，大致可分為SRAM架構和Flash架構的FPGA，SRAM架構的FPGA由于掉電時無法保存數據，因此FPGA幾乎都需要增加一個昂貴的配置芯片，而且功耗也較大，在啟動的時候需要很大的啟動電流，給用戶帶來了極大的不便，因此新一代的Flash架構的FPGA贏得了越來越多的用戶親睞。

1.Actel的Flash FPGA

Actel是美國軍方的合作伙伴，占據了美國90％以上航天航空的FPGA市場，在過去的10多年中，Actel反熔絲的FPGA已經成功地應用于300多個太空計劃。這些應用足以證明Actel的FPGA在可靠性方面是毋庸置疑的。

反熔絲器件以軍用市場為主，未對民用市場開放，所以一直以來大家對Actel的印象都是若隱若現。直到2002年，其創新的基于Flash架構的FPGA的出現，從此揭開了Actel神秘的面紗，Actel開始逐漸走向了民用市場被大家所認知。第一款Flash架構的FPGA是ProASIC，其等同于CPLD的單芯片特點以及超越CPLD的低功耗和大容量特點贏得了開發工程師的好評，越來越多的人使用Flash架構的FPGA去替換原有的CPLD和SRAM的FPGA。

2005年Actel推出了第三代Flash架構ProASIC3／E，ProASIC3／E的成功推出預示著新的一代FPGA之間的“競爭”正式拉開了序幕，ProASIC3／E系列FPGA主要面向消費、汽車及其它成本敏感的應用領域。

過去10年來，Flash已發展成突破性的技術，對每個涉及領域都有著深遠的影響。例如Flash技術使得手機、照相機和錄像機的下一代產品發生了革命性的變化，現在則對可編程邏輯市場帶來了同樣的沖擊。事實上，FPGA技術的主流平臺已發生了根本性的改變。

ProASIC3在各種雜志、媒體以及其它的相關的技術評選中頻頻獲獎，例如《電子設計技術》、《便攜式產品》等，這些獎項的獲得證明了它全面地被社會所認可，在一定程度上表明了Flash架構的FPGA將在未來有著舉足輕重的地位。與此同時，Actel在成熟的ProASIC3的基礎上衍生出了更多極具個性的系列產品。

●Fusion：業界首個帶有模擬功能的FPGA，集成了12位A／D、Flash Memory、RTC等功能部件使SoC成為現實。

●IGLOO：超低功耗的FPGA，具有獨特的Flash*Freeze睡眠模式，在該模式下最低功耗可達5μW，并能保存RAM和寄存器的狀態。

●IGLOO+：在IGLOO的基礎上對I／O進行了優化，提供超多的I／O口、支持斯密特觸發器輸入、熱插拔等特點。

●ProASIC3L：不僅具有ProASIC3的高性能，而且還具有低功耗的特性。

●Nano：業界最低功耗的FPGA，最低靜態功耗可達2μW，具有3minx3m的超小封裝，0.46美金的超低起定價。

這些系列都屬于Actel第三代技術的Flash架構的FPGA，其不同的特點完全能夠滿足各種不同市場的需求，而且給用戶帶來了眾多的選擇以及為提升用戶產品的競爭力帶來了意想不到的效果，進而Actel主推第三代的Flash器件自然而然地成為了令人矚目的新星。下面讓我們一起來共同開啟Actel第三代Flash架構FPGA之旅。

2.Flash架構FPG特點

如圖1所示，Actel所有Flash架構的FPGA都具有相似的特點，但是每個系列又有各自獨特的個性，使得它們相互補充。相互促進，為各行各業提供了獨一無二的選擇。

(1)先進的Flash開關

Actel的FPGA是基于Flash架構的FPGA，晶體管受7層金屬保護，采用130nm工藝，每個Flash開關僅由兩個品體管組成：一個用于對此開關進行擦除、編程、校驗等操作，另一個用于開關的選通。它具有占用硅片面積小、低阻抗和容性負載、非易失性等特點，其內部結構如圖2所示。其實對FPGA進行編程就是對這些開關進行控制，實現連線的過程。

(2)單芯片

基于Flash架構的FPGA掉電非易失性，一旦被編程，配置數據就成為FPGA結構的一個固有部分，系統上電時不需要通過外部的配置芯片加載數據(這與基于SRAM的FPGA不同)。因此，基于Flash架構的FPGA不需要EEPROM或MCU等器件來配置FPGA。除此之外，Fusion還集成了12位A／D、Flash Memory、模擬I／O、RTC等模擬部分，這是世界上首創的模數混合技術的FPGA，不僅降低了外圍器件的費用、節省了印刷電路板(PCB)的空間，同時又提高了系統的安全性和可靠性。

(3)高度安全性

Actel Flash架構的FPGA的安全性體現在3個層次的保護：

第一層屬于物理層的保護，Actel第三代Flash架構的FPGA的晶體管受7層金屬的保護，去除金屬層的難度非常大，很難實現反向工程(通過一定的手段去除金屬層后看到內部晶體管的開關狀態從而重現設計)；Flash FPGA非易失性，不需要外部的配置芯片，上電即可運行，不需要擔心在配置過程中數據流被截取。

第二層是Flash Lock的加密技術，顧名思義是對Flash單元的鎖定作用，它是128位的加密算法，通過將密鑰下載到芯片中進行加密來防止對芯片進行非授權的操作。經過加密的芯片，如果沒有密鑰就無法對芯片進行編程、擦除、校驗等。

第三層是采用國際上標準的AES加密算法對編程文件進行加密的技術，AES是遵守美國聯邦信息處理標準(FIPS)文獻192的一種加密算法，美國政府機構使用它來保護敏感和公開信息。該算法可包含大約3.4×1038個128位密鑰。早期DES標準中密鑰的大小為56位，大約可提供7.2×10¹⁶個56位密鑰，2000年，NIST采用了AES標準來替代1977 DES標準，大大提高了加密的可靠性。NIST通過舉例來說明由AES提供的理論安全性，假設一個計算系統可以在一秒鐘內破解一個56位的DES密鑰，那么要破解一個128位AES密鑰可能要花費大約149萬億年，可想而知其安全性的可靠程度。

Actel Flash FPGA基于上述三重保護，使用戶寶貴的IP可以受到很好的保護，也讓遠程ISP變成可能，它將為可編程邏輯設計提供最高的安全性。

(4)高可靠性

基于SRAM技術的晶體管不可避免存在兩種錯誤：軟錯誤(Soft Error)和固件錯誤(Firm Error)，這是由于大氣中的高能粒子(中子、粒子)轟擊到SRAM的晶體管引起的。由于其帶有較高的能量，在碰撞某個晶體管過程中有可能改變晶體管的狀態。

所謂軟錯誤主要是針對SRAM的存儲器來說的，例如

SRAM、DRAM等。當高能粒子轟擊到SRAM的數據存儲器，會使得數據狀態發生反轉，由原來的0變為1或者1變為0，導致數據的暫時錯誤。當重新寫入數據后，該錯誤又會消失。

所謂固件錯誤是指當SRAM FPGA配置單元或者布線結構遭受到大氣中高能粒子的轟擊，而發生了邏輯功能的改變或者連線的錯誤現象，最終的后果將會導致一次系統地徹底失敗，這種錯誤將會一直存在直到被檢查修改為止。

Actel Flash架構的FPGA對于固件錯誤有很好的免疫作用，這是由于它獨特的Flash架構所決定的，如果要改變一個Flash工藝的晶體管狀態需要一定的高壓，而一般的高能粒子是無法達到這個要求的，所以幾乎不存在這種威脅。

(5)低功耗

FPGA的功耗一般有4種：上電功耗、配置功耗、靜態功耗和動態功耗。一般的FPGA都具有這4種功耗，而Actel Flash FPGA由于上電不需要一個很大的啟動電流，并且掉電非易失，不需要配置過程，所以只有靜態功耗和動態功耗，沒有上電功耗和配置功耗。

基于Flash架構的FPGA每個可編程的開關都是由2個晶體管構成，而基于SRAM技術的FPGA每個可編程開關是由6個晶體管構成，所以單純從開關的功耗上分析，Flash FPGA的開關消耗功耗要比SRAM FPGA低很多。

Fusion系列支持低功耗的模式，芯片本身可提供一個1.5V電壓供內核使用，并且可以通過內部的RTC以及FPGA的邏輯實現掉電和喚醒的功能，以達到降低功耗的目的。Actel IGLOO和IGLOO+系列的FPGA更是為手持設備的應用而設計的，其獨特的Flash Freeze模式可以將靜態功耗最低降至5gW，并能保存RAM的數據。

Actel Flash FPGA無論是靜態功耗還是動態功耗都會比競爭對手低很多，可以應用于對功耗敏感、需要低功耗的場合，例如PDA、游戲機等。

(6)內可嵌高性能處理器

嵌入式系統中除了具有一顆高性能的FPGA以外，往往需要有一個處理器來處理一些算法或系統級的任務，一般的做法是通過一個8051或ARM芯片加上一個FPGA來完成，但是在某些場合對體積、成本有苛刻要求的時候，該方法的缺陷就被暴露無疑，而Actel針對該問題提供了單芯片的SoC解決方案，將處理器嵌入到FPGA內部，實現單芯片的解決方案。時下Actel可以提供8位的CoreABC、Core8051、Core8051s處理器，可以提供32位的ARM7、CortexM1處理器，這些都是軟核，其外設可以由用戶裁減，打造獨一無二的用戶處理器芯片，另外Actel將會在2009年提供性能更優、功能更強大的CortexM3硬核處理器，不占用FPGA的邏輯資源，完美地將FPGA和ARM結合在了單個芯片上，這將成為FPGA領域跨時代的里程碑。

(7)其它特點

除此之外，Actel的FPGA還具有低成本(最低0.46美元)、上電即行、小體積等特點，這些特點可以根據用戶實際的情況來選擇。