大多数工程师都知道现有三种基本的FPGA技术：反熔丝、FLASH和SRAM。其中，SRAM是迄今为止应用范围最广的架构，主要因为它具有可重复编程能力，而反熔丝FPGA只提供一次可编程（OTP）方案。以FLASH为基础的FPGA也能以相近的元件成本提供可重复编程功能，是FPGA领域比较新的技术。然而，许多设计决策皆以比较这些不同FPGA技术的元件成本为基础，没有从系统整体的角度出发，广泛考量各种技术的有形和无形成本。本文将通过分析其应用的整体系统成本，对SRAM架构FPGA的普及性提出质询。

SRAM架构FPGA分析

SRAM架构FPGA的使用必需用到许多附加元件，而这些元件在基于反熔丝或FLASH的可编程逻辑元件中则不需要，包括配置用的附加PROM和FLASH、上电用的CPLD、保密性用的电池，以及满足功率要求的电源和散热片。

举例说明，SRAM FPGA需要使用导引PROM或其他附加记忆元件，储存配置位元的资料。在带有微处理器的系统中，晶片内建记忆体是一种解决方法，但会增加处理器的成本和尺寸──这因素在计算成本时经常会被忽略。没有处理器的系统则需要使用附加的PROM，这会带来更高的元件成本和采购成本、更多的元件存货、更复杂的制造流程、更大尺寸的印刷电路板，以及可能降低系统可靠性，因为可靠性与系统所包含的元件及焊接点数成正比。

相反地​​，基于反熔丝和FLASH的FPGA采用非挥发性技术，因此无需在上电时进行配置。如不考虑上述较隐性的成本，利用拥有50万到100万系统闸SRAM架构FPGA的可重编程PROM，使用每个FPGA元件的成本将增加约16美元（以1万个计）。即使使用OTP PROM，成本也会增加13美元，因此在这种情况下使用OTP FPGA，如反熔丝元件将较​​为有利。对于现有最高密度的FPGA，每个FPGA可能需要价值100美元的可重编程PROM或50美元的OTP PROM。

如前所述，FLASH记忆体可内置于晶片或作为微处理或微控制器的外部元件。作为外部元件，FLASH记忆体会带来上述所有无形成本及附加的元件成本。一个典型的50万系统闸SRAM FPGA需要2.8M配置位元，而100万系统闸元件则需要4.1M配置位元。

SRAM架构FPGA的另一项技术局限在于不能上电运行。在许多重要的高速应用中，几百毫秒的配置时间是不被接受的。该问题通常由添加小型CPLD来解决，但这样又会增加少许成本以获得上电运行的解决方案。反熔丝或FLASH架构FPGA则不存在这个问题，因为它们本来已有上电运行的特性。

设计安全性成本

另一个常被忽略的重要领域是设计安全性成本。 SRAM FPGA在此方面的弱点在于其配置位元流可被截取，设计容易被复制，失去IP的价值。在国防和航空应用领域中，设计安全性尤为重要，但随着FPGA开始具备更多的系统逻辑，致使许多关键和昂贵的系统IP亦采用，设计安全性也成为商用系统中日益重要的课题。在游戏机中，游戏重点通常己编程于FPGA内 ──因此必需具备防窜改及防复制功能。反熔丝和FLASH FPGA均能提供高水准的IP安全性。这两种技术不存在可被截取的配置位元流，其编程元件非常小并分散在整个元件中，因此编程一旦完成就无法进行反求。

相反地​​，对于SRAM架构FPGA，位元流加密技术是目前唯一提供IP安全性的技术，而且只有主要供应商的少数产品系列提供。其中，设计安全「密钥」 储存在PROM中──附加元件，同时还需要使用电池在漏电情况下保存密钥配置。举例来说，由于没有密钥FPGA就不能进行编程，因此建议使用第二块电池为P​​ROM提供并行供电冗余。每块锂电池大约为50美分。换句话说，SRAM FPGA能做得更加安全，但要以三个附加元件为代价，而这些元件在材料清单上大约为2美元，且其中两个附加元件还含有锂──由于环保原因，设计人员都希望将其从系统中剔除。

总之，如果密钥和系统配置丢失，SRAM是挥发性的，系统就会报废。然而，更严重的是由于复制或反求而对宝贵的IP造成损失。

《图一 比较SRAM 架构FPGA的「安全性」解决方案》

系统功耗

选择FPGA技术时还需要考虑系统功耗的问题。 SRAM元件需要附加功率以支援高达2 Amp的涌入电流和较高的动态功率。持续数百毫秒的SRAM配置可能引起超过100mA的峰值电流，以及超过50mA的平均电流消耗。如(图二)所示。基于SRAM的元件需要使用超规格电源以支援较高的功耗，这会影响整个系统的成本和尺寸。例如，系统功耗从10W增加到15W，会增加电源成本约20％，或在大批量下每系统4美元。

《图二 基于FLASH的FPGA替代方案》

更高的功耗还会产生更多的热量，从而影响系统可靠性。根据经验法则，系统温度每上升10 °C，可靠性将减半，这即是平均无故障时间间隔或MTBF。提高系统冷却能力可以解决问题，但会增加系统与散热片甚至强制风冷系统或液冷导热板相关的成本和尺寸。以此为例，27平方毫米BGA元件所需铝制散热片的成本约为1.75美元（以1万以上数量计）。而使用上电运行的低功耗元件即可解决所有这些与功耗相关的问题。

100万系统闸设计的附加元件成本可以达25美元。如前所述，当中的隐性成本还包括采购所需的时间和精力、增加的元件存货、更复杂的制程、更大型和昂贵的印刷电路板──使到最终产品的尺寸更大，而安全性比较使用反熔丝或FLASH元件的产品为低。

结论

最近，一个更重要的问题正引起广泛关注。由于元件的几何尺寸缩小，使得基于SRAM 的FPGA更容易遭受由随机高能中子引起的软错误攻击。高能中子来源于封装材料的微量放射性同位素及与大气层碰撞的宇宙射线。过去，这只是太空和军事应用所关心的问题。如今，由于小尺寸SRAM单元状态翻转所需的电平变化较小，使得这问题也受到商用地面系统设计人员更多的关注。使用减缓干扰技术可以解决问题，但会大量增加元件数量和成本，而反熔丝和FLASH FPGA则对这个问题免疫。

总括而言，仅根据元件成本选用FPGA技术只会带来更昂贵的解决方案，特别是当所有隐性成本都计算在内时。不仅如此，选用以SRAM为基础FPGA系统的安全性和可靠性一般亦较低。 （作者任职于Actel）

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