FPGA和CPLD芯片选型介绍（二）_altera cpld选型手册

FPGA器件选型（以Xilinx和Altera为例）

器件选型是件很严肃的事情，既要考虑性能又要兼顾成本，还要考虑长期供货的稳定性，因此很考验工程师的知识广度储备。一般而言，FPGA（CPLD）需要分三步进行选型：

1、首先要对项目进行需求分析，评估项目中系统需要哪些资源，每一类资源需要的数量，需要哪些外设接口等，是否有特殊需求，例如需要很小的封装并且不用配置芯片，那么直接去选择Actel就好。

2、结合开发人员的研发能力和对不同厂家器件的熟悉程度，使用熟悉的芯片和工具，可以减少开发难度，缩短开发时间，加快产品上市时间。

3、综合考虑以上两点以后，在进行器件的选型，此时需要考虑7个原则，分别如下： 器件的供货渠道和开发工具的支持、器件的硬件资源、器件的电气接口标准、器件的速度等级、器件的温度等级、器件的封装和器件的价格。

a.器件的供货渠道和开发工具支持：目前主流的FPGA厂商包括Xilinx（AMD）、Altera（Intel）、Lattice、Actel等公司。随着国产化替代的推进，国内也出现一些FPGA厂家，如高云、安路、紫光同创、复旦微等，但国内的FPGA起步晚，大部分都在模仿国外主流FPGA，在工艺和性能及软件工具方面和国外成熟的FPGA还有较大差距，因此在选型时要慎重考虑。国外主流的FPGA厂商Xilinx和Altera都有成熟的开发工具和不同系列的产品可供选择，xilinx有较老的ISE和流行的vivado/vitis软件，altera有quartus II软件，这些工具功能强大、界面友好且有很多第三方合作伙伴提供相应的技术支持，参考资料更多，开发风险相对较小。

b.器件的硬件资源：包括逻辑资源和IO资源等其他资源。逻辑资源可根据需要选择合适的器件，一般目前市场主流器件可以满足需求；IO资源需要重视，过度消耗IO资源肯能导致FPGA负荷过重，器件发热严重，影响器件的速度性能、工作稳定性和使用寿命，因此在设计时需考虑散热设计。另外还要根据实际应用考虑DSP资源、RAM资源、高速串行收发器、集成CPU（如ZYNQ系列PL+PS架构芯片）等。

c.电气接口标准：数字电路接口标准非常多，在复杂的数字电路系统中，经常会有多种电气接口标准，目前FPGA器件支持多种电气接口标准，如3.3V、1.5V、1.2V、1V、0.9V等，可以满足绝大部分应用需求。

d.器件的速度等级：在满足应用需求的情况下，尽量选择速度等级低的器件：由于传输线效应，速度等级高的器件更容易产生信号反射，设计要在信号的完整性上花更多的精力；速度等级高的器件一般用的比较少，价格经常会成倍增加，而高速器件供货渠道一般比较少，器件订货周期也较长，会延长产品的研发周期。

e.器件的温度等级：在器件选型时，需考虑产品的使用环境，这就要考虑器件对环境温度的适应能力，器件一般分为商业级、工业级、军工级或宇航级，需要根据产品定位和使用环境选择响应等级的芯片。

f.器件的封装：目前器件的主流封装有QFP、BGA、FBGA、CSGA等，不同的封装管脚间距等不同，如果对器件尺寸有要求，需要较多的IO和较小的尺寸，那就需要选择管脚密度高的，管脚间距小的封装，设计中需考虑使用多层板设计，PCB布线较为复杂，设计和焊接成本都较高，因此从产品设计角度来看，在满足需求的情况下尽量不选择高密度管脚的封装。在对封装要求高、PCB尺寸较小的时候尽量选择管脚高密度的封装，同时这样的封装器件管脚引线电感和分布电容较小，有利于高速电路设计。另外，如果可以的话尽量选择pin-to-pin的器件。

g.器件的价格：FPGA的器件的发展遵循摩尔定律，集成度不断提高，性能不断提升，价格呈下降趋势，因此在不断推出的新器件中选型是一个基本规律。随着半导体工艺的升级换代，FPGA芯片也在升级换代的过程中，提供了更强大的功能，更低的功耗和更好的性价比。那么在确定一个系列的FPGA后，选择哪一代的产品则又成为一个问题。个人建议是在价格和供货都没有问题的情况下，选择越新的产品越好。一定不能选择厂家已经或者即将停产的芯片。任何产品都是有生命周期的，目标就是尽量保证在产品的生命周期里，所用到的芯片的生命周期还没有结束。在产品初期规划时做芯片选型，要尽可能选用厂家刚量产或者量产不久的产品，甚至在有确切的供货渠道的情况下，可以选择厂家即将量产的芯片。

下面分别针对市场主流的Xilinx和Altera公司的FPGA产品做大概介绍。

一、Xilinx FPGA系列简介：

目前Xilinx公司已经被AMD公司收购，因为习惯原因，继续使用Xilinx的称呼。Xilinx公司目前的主流FPGA分别由45nm、28nm、20nm、16nm工艺制造，具体如下图所示。通常我们想了解Xilinx公司的FPGA产品，可以直接去其官网查找，网址为https://www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga.html。

如果要对针对某系列FPGA详细对比，查阅其详细逻辑资源，可以在product select guide中查找，如下图。比如我们所设计的产品逻辑规模不大，使用单独的FPGA做主控芯片即可满足需求时，那么根据评估可以在7series中进行选择，7系列FPGA由SPARTAN7、ARTIX7、KINTEX7、VIRTEX7四类FPGA系列组成，解决了从低成本、小尺寸、成本敏感、高容量应用到最苛刻的高性能应用的超高端连接带宽、逻辑容量和信号处理能力等完整的系统需求。

SPARTAN7:针对低成本、最低功耗和高I/O性能进行了优化。低价格、低功耗、最小的尺寸以及最低的设计难度。

ARTIX7:Artix-7系列:为需要串行收发器和高DSP和大逻辑吞吐量的低功耗应用而优化。

KINTEX7:Kintex-7 系列与Artix-7系列相比，优化了性价比，是在所有系列中拥有最佳的性价比，无论是硬核数量还是逻辑容量，都能满足中低端、以及部分高端应用需求。

VIRTEX7:Virtex-7系列:优化了最高的系统性能和容量，将系统性能提高了两倍。由SSI技术实现的最高能力器件。

以上为7系列四类FPGA的介绍，从S7-A7-K7-V7性能依次提高，当然价格也依次提高，这个系列的FPGA由于市场占有率高被广泛应用，目前Xilinx公司已经将这个系列的芯片生命周期延长到2035年。

同样，工艺更先进的UltraSCALE系列的KINTEX和VIRTEX以及UltraSCALE+系列的ARTIX、KINTEX、VIRTEX可根据需求用于更高端的产品中。至于SPARTAN6的器件，大概是十年前的出的器件了，和其他系列器件相比工艺相对落后，可根据产品定位和具体需求选择使用。

另外，还有一类Soc架构的器件得到大量应用，将FPGA和ARM分立器件的架构集成到一颗芯片里，采用PL+PS的架构，内部采用AXI总线交互，极大的提高了芯片的集成成度、提高了性价比，具体如下图所示。

不同系列的Soc内嵌的FPGA和ARM型号不同，例如Zynq 7000S内嵌了28nm工艺的Artix 7和一颗ARM Cortex-A9的处理器，ZYNQ 7000系列的内嵌28nm工艺的Artix 7或Kintex 7和两个ARM Cortex-A9处理器，具体如下图所示；Zynq不同型号内嵌的PL和PS侧型号也不同，可通过官网查询：https://www.xilinx.com/products/silicon-devices/soc/zynq-ultrascale-mpsoc.html#cg

二、Altera FPGA系列简介：

目前Altera公司已经被Intel公司收购，因为习惯原因，继续使用Altera的称呼。Altera公司在被Intel收购后，在中国的市场占有率逐步降低，逐步被其他公司替代，但目前依旧牢牢占据着中国第二把交椅。Altera很多产品都是和Xilinx对标的，两个公司很过高级工程师都会相互跳槽到对方公司，为彼此带去新鲜的血液和技术，正是这样两个公司相爱相杀，相互竞争，反而促进了技术的发展。

Altera公司目前的主流器件主要包括Cyclone系列-MAX系列-Arria系列-Stratix系列-Agilex系列的FPGA，这些系列依次从低端到高端，资源集成度不同，针对的产品定位也不相同，每个系列中不同代的产品型号工艺不同，推出时间越晚的型号工艺越先进，详细的信息和选型手册可查阅官网进行对比：英特尔® FPGA 产品 - FPGA 和 SoC FPGA 设备和解决方案 | 英特尔 (intel.cn) 。

不同系列的FPGA的不同型号推出时间和采用工艺如下，可以作为选型时的参考，其中Agilex系列为Intel收购Altera后最新推出的高性能、工艺先进的系列。除了下面不同系列纯FPGA逻辑芯片，还有Soc芯片的推出，其中Arria、Stratix和Agilex系列均有集成不同PL+PS的型号。

每个系列中不同代的产品型号推出时间不同，工艺不同，在选型时要注意尽量选择较新的器件，推出时间比较久的老器件可能价格更贵、采购更难，甚至可能在产品生命周期内停止生产这个型号的FPGA，因此根据需求评估，参考官网选型手册，尽可能选择近几年新推出的、量产大、市面存量多、生命周期长的型号。

本文主要对FPGA/CPLD的选型方法做了简单介绍，同时对市场主流的xilinx和altera的系列产品做了个简单说明，具体信息可以分别登录各公司官网根据选型手册查阅。

2023/02/02

参考：

1、FPGA系列之“速度等级” | 电子创新网赛灵思社区 (eetrend.com)

2、https://zhuanlan.zhihu.com/p/365342385

3、https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1675320908&ver=4325&signature=O6CEjc56UfytcvcU*vjncF-Cu7YsnNKgsI6khi5D7CXT0t6o*YJVE0OUsQuG9Uysw4-Y1nnBoiFBGGMCyag7yR3XqllZwzvrOCcYMSJDvslepmqEezkfxg6*gdIuP1ab&new=1

4、https://www.xilinx.com/content/dam/xilinx/support/documents/selection-guides/7-series-product-selection-guide.pdf

5、英特尔® FPGA 产品 - FPGA 和 SoC FPGA 设备和解决方案 | 英特尔 (intel.cn)