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可以运行到 2Ghz 的 FPGA
2009-02-17 04:11
FPGA 的市场长期以来由 Altera 和 Xilinx 把持，两家 FPGA
的体系结构非常相似，技术水准也在伯仲之间。经过多年的发展和积累，FPGA 器件功能性越来越强，集成了诸如串并收发器 （Serdes)，
内存控制单元 （Memory Controller), 千兆以太网 （Gigabit Ethernet) 等硬核的 FPGA
日趋成为应用的主流。同时，用于ＦＰＧＡ的设计软件也随之变得非常复杂，据Ｘｉｌｉｎｘ的CEO 透露，Xinlix 自己开发的
ＦＰＧＡ布局布线软件的源代码多达上千万行。这些对于想进入这个领域的初创公司来说都构成了非常高的门槛。但 FPGA
这个领域稳定的市场和高额的利润还是吸引了不少的初创公司前赴后继地进入这个行业。
初创公司 Ａｃｈｒｏｎｉｘ就是这其中之一。传统的 FPGA 在运行速度上要远逊于 ＡＳＩＣ，即使是目前市场上最快最先进的 FPGA
器件，大概也就只能运行到 150 - 200 Mhz 。但 Achronix 声称其 Speedster 系列的 FPGA
在通常环境下可以运行在 1.5 Ghz， 最快能跑到 2Ghz。这几乎是传统 FPGA 运行速度的 10 倍。甚至连通常的 ASIC
也难以望其项背。
Achronix 采用的是完全颠覆传统的非同步电路设计 （Asynchronous
Circuit)。对于传统的数字电路设计而言，时钟信号是整个设计的基础。芯片通常都可以看作是一个同步工作的系统，每一个工作单元都有条不紊地在每一个时钟周期内完成自己的工作。时钟信号（clock）作为数字电路中最为关键的信号，需要被延伸到芯片每一个单元。也正因为此，当设计变得越来越复杂时，时钟信号往往成为提高芯片运行速度的瓶颈。非同步电路因为并不需要依靠时钟信号，电路运行的速度也就没有这方面的限制。但也因为没有了时钟信号，非同步电路需要在不同的单元之间定义数据交换的握手协议来协调彼此之间的工作。而这一部分，Achronix
做了大量的流水线优化工作以保证 ＦＰＧＡ能运行到 Ｇｈｚ．
下面这幅图是传统 ＦＰＧＡ和 Ａｃｈｒｏｎｉｘ 流水线 结构比较的示意图：
可以看到 Achronix ＦＰＧＡ基本体系结构和传统的 FPGA 的区别并不大，整个 FPGA 还是由基本的 LUT 拼装而成。但是
Achronix 的 ＦＰＧＡ没有时钟网络，而且在综合布线的设计理念上则是和传统的 FPGA 完全地分道扬镳。为了保证非同步的
ＦＰＧＡ能够得到广泛的应用，Ａｃｈｒｏｎｉｘ ＦＰＧＡ在接口电路上仍然是传统的同步电路，而且其前端（ＲＴＬ）的设计流程和传统同步电路设计也完全一样。只有
Ａｃｈｒｏｎｉｘ自己的布局布线软件才会将电路映射到自家独有的异步 FPGA 核上去。
非同步电路在业界的运用虽然并不多，但这种设计方法并不是什么非常新的观念，学术界对非同步电路的研究几乎和同步电路同时展开。非同步的大规模集成电路如微处理器也经常有被报导。Achronix
将这一设计理念成功第运用在 FPGA 这个商业领域。除了 Achronix，初创公司 Fulcrum Microsystems
则是将非同步电路运用到 10G 以太网交换机这一领域。巧的是这两个初创公司都有着所谓的“名校血统“，Achronix的技术出自
Cornell, 而 Fulcrum 的技术则是出自加州理工（Caltech)。
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