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随着TD-SCDMA进入大规模商业实验，WiMAX加入ITU成为第4个3G标准，爱立信率先完成LTE全链路高速传输试验，IMT- Advanced 开始提案征集，移动通信越来越多地呈现了多标准共存的局面。在现实中则往往在一个站址上，同时有小灵通、CDMA、GSM、TD-SCDMA等多种标准的 基站。如何降低研发生产成本，降低建设、运营、维护和升级成本，就成为设备厂商和运营商所面临的共同课题。对此，基站设备厂商提出面向全IP化多模无线基 站，实现GSM、UMTS、CDMA、WiMAX多模块多模式基站，从而可以实现平滑演进，从现有TD-SCDMA、WCDMA等3G标准平滑升级到 HSDPA/HSUPA甚至LTE等后3G标准。

FPGA 类高性能可编程逻辑器件，正是多模无线基站的最佳构建平台之一。Xilinx率先发布和量产的65nm平台FPGA，则以大量先进技术和全新的设计有效增 加了系统产品的生命周期并满足了3G、LTE、IMT-Advanced等移动通信标准和高性能处理设备对更多功能、性能、功耗和综合成本的苛刻要求。

更大容量、更高性能
尽管DSP的工作时钟频率已经提升到GHz量级，但还是无法满足高端应用系统对实时性的要求。换句话说，算法复杂度与传统DSP的性能之间一直存在着落 差。而且，随着3G及LTE、IMT-Advanced等未来移动通信技术的出台，通信系统中的MIMO、OFDM、LDPC等无线算法和AVS等实时视 频编译码算法的复杂度直线上升，使得这种落差呈进一步扩大态势。

传统上，这一落差是由专用信号处理芯片(ASIC或ASSP)来进行弥补。不过，FPGA凭借高度的灵活性和近些年来性能的提升以及功耗的改善，特 别是近两年的时间内采用65nm工艺的高性能FPGA的推出，加快了自身向这块DSP无法覆盖的信号细分市场渗透的速度。笔者以Xilinx的 Virtex 5为例进行阐述。

Virtex-5系列所采用的6输入LUT ExpressFabric技术在将性能提升了2个速度级别同时使动态功耗降低了35%，面积缩小 45%，总逻辑单元数多达 330,000个。同时，Virtex 5高达11.6 Mbit 的灵活嵌入式 Block RAM，可以以高达 550 MHz的工作速率运行。每个Block RAM模块最高可存储 36 Kbit 数据，可以配置成工作频率为 550 MHz的FIFO而无需消耗逻辑资源，或配置为双端口 RAM以增加带宽，还可以级联增加实现更大存储器。

为了满足设计师对多通道、高性能DSP算法加速的需要，所有 Virtex-5 系列都提供大量增强嵌入式型DSP48E slice块，在更大的动态范围内实现48位全精度结果而无需消耗逻辑结构资源；DSP48E Slice 支持专门的布线所实现的加法链结构突破了加法树的性能瓶颈。特别在面向信号处理的SXT 平台上的 Slice更多达 6?0 个，可以工作在550 MHz，实现 352 GMACS 的性能。同时每个 DSP48E Slice 在翻转率为 38% 的情况下，功耗仅为 1.38 mW/100 MHz，比90nm器件降低了40%。

更高的I/O速率，支持更多I/O标准
虽然现代电子系统互连越来越趋向于串行交换式互连网络，但对差分或单端并行I/O也有越来越高的性能要求。如LTE通信系统中采用的MIMO技术可能需要 系统FPGA同TI公司串行LVDS输出的4通道14bit 125 MSPs ADC芯片互连，单差分对最高数据率可能高达1.04Gbps，对FPGA提出了很高的要求；通信系统中大量采用DDR2、DDR3、QDR2等高时钟速 率存储器实现对高速信号和分组数据的缓存处理，也需要FPGA提供有效的互连接口。

可靠的源同步数据采集是构建高性能并行接口时所面临的最为关键、困难的挑战，需要妥善处理时钟、数据线间的Skew以及信号间的噪声和串扰。如果一 款器件能实现：1.25 Gbps的差分I/O 或 800 Mbps 单端 I/O 互连；能在宽电压、速度范围内支持40多种高性能I/O标准协议和定制电气标准协议；能够确保时钟和数据对齐时序要求，简化源同步接口设计，轻松做到高性 能源同步并行或存储器接口，则将是非常理想的。Xilinx的Virtex 5是通过利用增强型SelectIO块、ChipSync 技术和Sparse chevron 封装技术、接地管脚的分配方法实现上述性能指标：在确保时钟位于数据有效窗口的中央，实现可靠的读数据采集的同时更好的控制同步开关输出（SSO）噪声。 Virtex 5 的推出为设计师实现系统互连最大带宽提供了足够的设计灵活性。例如使用DDR2 SDRAM实现高达384 Gbps的存储器带宽。

在传统无线基站和嵌入式信号处理系统中，多个FPGA及信号处理器件主要通过总线或用户专用互连结构。但总线结构存在性能限制，难以满足高性能系统 的需要；而专用系统则难以满足互连互通的需要。因此，基于串行交换互连，以Serial RapidIO、PCI Express、GE为代表的嵌入式互连网络逐步进入无线基站和高性能处理系统。而处于多模基站和系统集成平台中心位置的FPGA，需要直面高速串行互连 的需求。

Virtex 5所采用的全新 RocketIO GTP 千兆位级串行收发器设计和SelectIO并行I/O技术实现了新兴串行标准和现有并行标准间的灵活桥接，支持操作范围介于100Mbps 到 3.75Gbps之间的所有常见串行互连接口标准协议并可在单个 FPGA 中实现多个标准或定制协议（如sRIO、PCIe、FE/GE、FC、SAS、SATA等）。

RocketIO GTP的可调整发送预加重和接收均衡技术，可以驱动超出40” 的背板，在恶劣通道上实现可靠的接收。

Virtex 5采用嵌入式PCIe模块将多种功能集成到单个65nm FPGA的方式来实现。Virtex-5 FPGA平台内置增强型PCI Express端点模块，可以实现处理层、数据链路层和物理层功能，支持 1、2、4 或 8通道。

Xilinx在对硬IP和软IP进行比较之后，在Virtex 5系列中采用了嵌入提升用户有效逻辑使用率和降低系统功耗的硬IP的方式来实现GE、PCIe等串行互连标准。例如×8模式的PCIe硬核可以比其他厂商FPGA以软核形式实现的降低至少1.5W的功耗。
 

Xilinx 65nm 平台FPGA包含多个符合IEEE 802.3标准的嵌入式10/100/1000 Mbps以太网MAC模块：内置式硬IP为每个以太网MAC释放大约1800个逻辑单元；所提供的可编程PHY接口同时支持标准的MII/GMII和使用 RocketIO收发器时的SGMII接口；当使用RocketIO收发器时，可以实现1000 Base-X的单芯片解决方案并广泛应用于AMC、ATCA和MicroTCA等新兴系统结构标准；由于已经通过UNH测试认证的兼容性和互操作能力，因 此减少了系统的设计和验证工作量。

Xilinx的Virtex 5系列具有低歪斜、低抖动的差分时钟结构，可以达到550MHz的工作频率，再加上更加灵活的时钟管理管道结合了新型 PLL 和DCM（数字时钟管理器），使得该器件在保证了去Skew实现低时钟抖动的前提下同时确保了高精度和控制灵活性，极大地提高了时钟系统的性能。

Xilinx利用65nm工艺的100Mbps?C3.75Gbps收发器、集成式接口模块和通过预验证PCI Express、三模以太网模块及其他IP，不仅可以轻松快速满足创建板级、背板级和系统级的互连需要，也满足新一代通信、信号处理、图形、存储、网络交 换和I/O器件上的需要，而且还将设计风险降至最低，节省了在早期的ASSP和ASIC中的投资。

更低功耗 更低成本
Xilinx通过对Virtex-5系列采用新工艺、新技术、新封装和大量集成硬IP等方式，使得工程师在使用65nm工艺FPGA进行设计，可以大幅降 低设计风险的同时显著降低功耗同时提升系统性能，实现性能和功耗的最佳均衡，并提升设计速度。这其中包括：采用ExpressFabric 技术将性能提升30%的同时使动态功耗降低35%；利用 65nm 三栅极氧化层技术降低以漏电流为主的静态功耗；采用新的RocketIO GTP收发器，使功耗比上一代器件降低77%；更小的散热系统进一步降低系统功耗；嵌入式 Block RAM 和分布式 RAM/FIFO减少了对外部RAM的需求；ChipSync 电路可以将时钟调整到数据正中，从而保证存储器接口的可靠性；SelectIO 电路可以灵活支持各种片上 I/O接口标准；DSP48E slices 为嵌入式乘法器提供了可选的加法器和累加器；RocketIO GTP 收发器提供内置式串行 I/O 性能和业内最低的功耗；PCI Express 端点模块设计用于和 RocketIO GTP 收发器一起使用，以便提供用于兼容的 PCIe 连接功能；10/100/1000 以太网 MAC 模块和 RocketIO GTP 收发器一起使用，提供内置式以太网连接功能以上种种基于65nm工艺器件的优势，大大降低了系统综合成本，例如实现x8模式的PCI Express，使用Xilinx的Virtex-5 FPGA可以比其他厂商的相同档次器件节约近10,000个LUT。

另外，Virtex-5 的 Sparse chevron 封装技术的独特的管脚排列降低了串扰改善了信号完整性，有助于去除成本高昂的板级调试和重设计过程。基片旁路电容去除了数百个外部电容，可以简化 PCB 布局和布线，缩小 PCB 尺寸,使系统成本再次降低。
如果FPGA的用量达到一定规模，还可以使用 Xilinx 的65nm EasyPath技术，在保证器件质量的同时将批量生产成本降低 30-75%，而且大幅缩短交货时间。

实例与结论
早在2006年2月，Mercury Computer Systems、VMETRO等公司就已经开始实际使用评估Virtex-5 系列FPGA，而评估结果促使更多的厂商迅速转向65nm的Virtex-5 FPGA。

得益于Virtex-5 LX系列的超大逻辑和存储容量，DiNI的DN9000K10PCIe板采用6片Virtex-5 LX330和1片LX50T可实现高达1100万门级的ASIC验证任务。Nallatech 和Alpha Data采用LX110T实现高性能PMC计算子板。VMETRO采用Virtex-5 LX110T实现高性能CPCI接口处理模块，采用V5LX110T 和V5SX95T实现高性能VXS信号处理平台。Curtiss-Wright 以LX330T为核心构建CHAMP-FX2高性能信号处理平台。Sundance则采用Virtex-5 LXT或SXT构建灵活的嵌入式处理模块。

65nm工艺FPGA 已经逐步蚕食 ASIC 和 ASSP的传统市场，广泛应用到网络、电信、存储、服务器、计算、无线、广播、视频、成像、医疗、工业和军用等诸多高性能领域，尤其是在以多模无线基站为代表的高端市场成为理想系统集成平台。
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