FPGA選型時(shí)的速度等級(jí)參數(shù)解析

本文主要介紹FPGA選型時(shí)的速度等級(jí)這個(gè)參數(shù)。

大家在進(jìn)行FPGA選型時(shí)都會(huì)看見一個(gè)參數(shù)：Speed Grade，這就是芯片的速度等級(jí)。

芯片的速度等級(jí)不是專門設(shè)計(jì)出來的，而是在芯片生產(chǎn)出來之后，實(shí)際測(cè)試標(biāo)定出來的；速度快的芯片在總產(chǎn)量中的比率低，價(jià)格也就相應(yīng)地高。

這是Xilinx FPGA的排序方法是“序號(hào)越高，速度等級(jí)也越高”。

芯片的速度等級(jí)決定于芯片內(nèi)部的門延時(shí)和線延時(shí)，這兩個(gè)因素又取決于晶體管的長(zhǎng)度L和容值C，這兩個(gè)數(shù)值的差異最終取決于芯片的生產(chǎn)工藝。

在芯片生產(chǎn)過程中，有一個(gè)階段叫做speed binning。就是采用一定的方法、按照一組標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生產(chǎn)出來的芯片進(jìn)行篩選和分類，進(jìn)而劃分不同的速度等級(jí)。

速度等級(jí)的標(biāo)定不僅僅取決于芯片本身的品質(zhì)，還與芯片的市場(chǎng)定位有很大關(guān)系，返修概率和成本也是因素之一。

芯片的等級(jí)可以在測(cè)試后加以具體調(diào)整和改善，在存儲(chǔ)器芯片的生產(chǎn)中這一技術(shù)應(yīng)用很廣泛。

芯片生產(chǎn)的過程是充滿各種變數(shù)的，生產(chǎn)過程可以得到控制，但是控制不可能精確到一個(gè)分子、一個(gè)原子，產(chǎn)品質(zhì)量只能是一個(gè)統(tǒng)計(jì)目標(biāo)。同一個(gè)wafer上的芯片會(huì)有差異，即使是同一芯片的不同部分也是有差異的。速度等級(jí)是一個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)字，反映了一批芯片的某些共同特性，不代表個(gè)別芯片的質(zhì)量。而且由于某些芯片的測(cè)試是抽樣進(jìn)行的，也不排除個(gè)別芯片的個(gè)別性能會(huì)低于標(biāo)定的速度等級(jí)。不過，F(xiàn)PGA的測(cè)試是極其嚴(yán)格的，很可能我們拿到手的芯片個(gè)個(gè)都經(jīng)過了詳盡的測(cè)試。這也是FPGA芯片價(jià)格高于普通芯片的原因。

同一等級(jí)的芯片中的絕大多數(shù)，其性能應(yīng)該高于該速度等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。這也是為什么在FPGA設(shè)計(jì)中，有少許時(shí)序分析違規(guī)的設(shè)計(jì)下載到芯片中仍然能夠正常運(yùn)行的原因（時(shí)序分析采用的模型參數(shù)是芯片的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，是最保守也是最安全的）。不過，由于同一等級(jí)的芯片仍然存在性能差異，存在時(shí)序違規(guī)但是單次測(cè)試成功的FPGA設(shè)計(jì)不能確保在量產(chǎn)時(shí)不在個(gè)別芯片上出現(xiàn)問題（出了問題就要返修或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，成本一下子就上去了）。所以，還是要把時(shí)序收斂了才能放心量產(chǎn)，這就是工程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的保證。

現(xiàn)實(shí)世界是模擬的，不是數(shù)字的。在考察現(xiàn)實(shí)問題時(shí)，數(shù)字工程師和軟件工程師應(yīng)該拋棄“一是一、〇是〇”的觀念，用連續(xù)的眼光看待這個(gè)連續(xù)變化的真實(shí)世界。

芯片生產(chǎn)過程中的不確定性導(dǎo)致了芯片的性能差異，這一差異影響了芯片的價(jià)格，價(jià)格和性能的折中又影響了FPGA設(shè)計(jì)工程師在器件選型、設(shè)計(jì)方法上的決策，生產(chǎn)的產(chǎn)品的性價(jià)比決定了產(chǎn)品的銷售，產(chǎn)品的銷量又決定了芯片的采購量，采購量又影響了芯片的采購價(jià)格...。

器件速度等級(jí)的選型，一個(gè)基本原則是：在滿足應(yīng)用需求的情況下，盡量選用速度等級(jí)低的器件，主要有如下好處：

由于傳輸線效應(yīng)，速度等級(jí)高的器件更容易產(chǎn)生信號(hào)反射，設(shè)計(jì)要在信號(hào)的完整性上花更多的精力；

速度等級(jí)高的器件一般用得比較少，價(jià)格經(jīng)常會(huì)成倍增加，而且高速器件供貨渠道一般比較少，器件訂貨周期一般比較長(zhǎng)，會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品上市率。