FPGA夾層卡對(duì)高級(jí)嵌入式設(shè)計(jì)的影響

更新后的 FPGA 夾層卡規(guī)范提供無(wú)與倫比的高 I/O 密度、向后兼容性。

作為使用 FPGA 和高速 I/O 的嵌入式計(jì)算設(shè)計(jì)的重要發(fā)展，名為 FMC+ 的最新夾層卡標(biāo)準(zhǔn)將把卡中的千兆位收發(fā)器（GT）的總數(shù)量從 10 個(gè)擴(kuò)展到 32 個(gè)，最大數(shù)據(jù)速率從 10Gbps 提升到 28Gbps，同時(shí)保持與當(dāng)前 FMC 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)向后兼容。

這些功能與使用 JESD204B 串行接口標(biāo)準(zhǔn)的新器件以及 10G 和 40G 光學(xué)器件及高速串行存儲(chǔ)器也非常吻合。FMC+ 可滿足最具挑戰(zhàn)性的 I/O 要求，為開(kāi)發(fā)人員提供了雙重優(yōu)勢(shì)：夾層卡的靈活性，以及單芯片設(shè)計(jì)的高 I/O 密度。

FMC+ 規(guī)范是在去年制定和細(xì)化的。VITA 57.4 工作組已經(jīng)批準(zhǔn)該規(guī)范并將在 2016 年初提交 ANSI 投票。下面詳細(xì)介紹一下這一重要的新標(biāo)準(zhǔn)，了解其對(duì)高級(jí)嵌入式設(shè)計(jì)的影響。

夾層卡的優(yōu)勢(shì)

夾層卡是一種為嵌入式系統(tǒng)添加特定功能的有效且廣泛使用的方法。因?yàn)閵A層卡是連接在基礎(chǔ)卡或載卡上，而不是直接插在背板上，夾層卡可以輕松更換。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這意味著既能夠靈活配置，又可以輕松升級(jí)。但由于連接問(wèn)題或安裝到開(kāi)發(fā)板上需占用額外的空間，這種靈活性往往會(huì)以犧牲功能為代價(jià)。

對(duì)于 FPGA，主要的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)是 ANSI/VITA 57.1，也稱(chēng)之為 FPGA 夾層卡 (FMC) 規(guī)范。最新標(biāo)準(zhǔn) FMC+（更正式的說(shuō)法，即 VITA 57.4）通過(guò)大幅增強(qiáng)千兆位串行接口的功能，擴(kuò)展了現(xiàn)有 FMC 標(biāo)準(zhǔn)的功能。

與單芯片解決方案相比，F(xiàn)MC+ 能解決基于夾層卡的 I/O 的許多不足，同時(shí)提供更高的靈活性和性能。同時(shí) FMC+ 標(biāo)準(zhǔn)具有后向兼容，符合 FMC 的發(fā)展歷史并滿足其用戶群體需求。

該 FMC 標(biāo)準(zhǔn)定義的是一種小型夾層卡，其高度和寬度類(lèi)似于久成熟的 XMC 或 PMC，但長(zhǎng)度只有其一半。這意味著 FMC 與開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)格式相比，組件板級(jí)空間更小。但 FMC 不需要往往占用大量板級(jí)空間的總線接口，例如 PCI-X。作為替代，F(xiàn)MC 使用供電要求較為簡(jiǎn)單的直連 I/O 與主控 FPGA 通信。這意味著雖然尺寸更小，但 FMC 實(shí)際上有比它們的 XMC 同等產(chǎn)品更大的 I/O 容量和 PMC 和 XMC 規(guī)范一樣，F(xiàn)MC 和 FMC+ 也同時(shí)提供空氣冷卻和傳導(dǎo)冷卻兩種選擇，因此商業(yè)和軍用市場(chǎng)各自需求的普通和耐用型應(yīng)用都能適用。

FMC 規(guī)范解析起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單。該標(biāo)準(zhǔn)為高引腳數(shù)(HPC)設(shè)計(jì)可提供多達(dá) 160 個(gè)單端或 80 個(gè)差分并聯(lián) I/O 信號(hào)，為低引腳數(shù) (LPC) 設(shè)計(jì)提供一半數(shù)量的 I/O 信號(hào)。可以設(shè)置多達(dá) 10 個(gè)全雙工 GT 連接。這些 GT 適用于光纖或其他串行接口。此外，F(xiàn)MC 規(guī)范還定義了關(guān)鍵的時(shí)鐘信號(hào)。所有這些 I/O 都是可選的，雖然大部分主機(jī)現(xiàn)在支持完全連接。

FMC 規(guī)范還定義了多種電源輸入，雖然夾層卡定義的是由主機(jī)供電。這種方法的工作方式是先給夾層卡部分供電，這樣主機(jī)就能夠詢問(wèn) FMC，然后 FMC 通過(guò)為 VADJ 定義電壓范圍來(lái)做出響應(yīng)。如果主機(jī)能夠提供該電壓范圍，則一切順利進(jìn)行。不在夾層卡上設(shè)主電源調(diào)整既能節(jié)省空間，又能降低夾層卡的功耗。

用于模擬 I/O 的 FMC

設(shè)計(jì)人員可將 FMC 用作任何用戶想連接到 FPGA 的功能，例如數(shù)字 I/O、光纖、控制接口、存儲(chǔ)器或附加處理。但模擬 I/O 仍然是 FMC 技術(shù)最常見(jiàn)的用途。FMC 規(guī)范適用于相當(dāng)大范圍的快速高精度 I/O，但也需要權(quán)衡使用，尤其是對(duì)使用并行接口的高速部件來(lái)說(shuō)。

例如德州儀器的 ADC12D2000RF 雙通道 2 Gsps 12 位 ADC 使用 1:4 復(fù)用總線接口，因此該總線速度對(duì)主控 FPGA 來(lái)說(shuō)不算過(guò)快。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口單獨(dú)需要 96 個(gè)信號(hào)（48 個(gè) LVDS 對(duì)）。對(duì)這種級(jí)別的器件，F(xiàn)MC 只能支持一個(gè)此類(lèi)器件，即便有足夠的空間容納更多器件，但 FMC 的上限是 160 個(gè)信號(hào)。較低精度器件就算是工作在較高速度下，例如那些工作在 8 位數(shù)據(jù)通道上的器件，即便換衡器、放大器、時(shí)鐘等提出更高的前端模擬耦合要求，也可以允許更多通道數(shù)量。

對(duì)使用并行接口，運(yùn)行速度在 5 Gsps 或 6 Gsps（吞吐量大于 50Gbps），精度大于 8 位的模擬接口，F(xiàn)MC 規(guī)范開(kāi)始無(wú)法應(yīng)對(duì)。站在市場(chǎng)的角度，從通道密度、速度和精度來(lái)看,主流 FMC 的吞吐量在 25-50 Gbps 之間。這樣的性能水平是物理封裝尺寸與到主控 FPGA 的可用連接權(quán)衡的結(jié)果。

除了并行連接，F(xiàn)MC 規(guī)范還支持多達(dá) 10 個(gè)雙工高速串行（GT）鏈路。

圖 1 - FMC 借助 JESD204B 縮小封裝帶來(lái)的影響

* VADJ：由夾層卡定義，由主機(jī)提供的電壓電平

表 1 - FMC 和 FMC+ 連接一覽表

這些接口對(duì)光纖 I/O、以太網(wǎng)、混合存儲(chǔ)立方體 (HMC) 和 Bandwidth Engine 等新興技術(shù)以及使用 JESD204B 接口的新一代模擬 I/O 器件有用。

JESD204B 到來(lái)

雖然 JESD204 串行接口標(biāo)準(zhǔn)（目前為修訂版“B”）問(wèn)世已有一段時(shí)間，直到最近它才被市場(chǎng)廣泛采用，成為新一代高采樣率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的串行接口標(biāo)配。這種廣泛采用背后的推動(dòng)力來(lái)自電信行業(yè)對(duì)更小型化、更低功耗和更低成本器件的渴求。

如前文所述，采用并行接口的雙通道 2 Gsps、12 位 ADC 需要大量的 I/O 信號(hào)。這一要求直接影響到封裝尺寸。在本例中要求使用 292 引腳封裝，尺寸大致為 27x27mm（雖然下一代引腳幾何結(jié)構(gòu)能讓封裝尺寸縮小到不足 20x20mm）。

而采用 JESD204B 連接的同等器件可以采用 68 引腳、10x10mm 封裝，同時(shí)功耗更低。

這種封裝尺寸的大幅縮減與不斷演進(jìn)的 FPGA 形成良好的搭配，因?yàn)?FPGA 正在提供數(shù)量不斷增長(zhǎng)、速度不斷提升的 GT 鏈路。圖 1 所示的是封裝尺寸和 FMC/FMC+ 開(kāi)發(fā)板尺寸的示例。

根據(jù)采樣率要求的數(shù)據(jù)吞吐能量、精度和模擬 I/O 通道數(shù)量，典型的使用 JESD204B 接口的高速 ADC 和 DAC 有 1-8 個(gè)工作在 3-12Gbps 速率上的 GT 鏈路。

FMC 規(guī)范定義的是尺寸相對(duì)較小的夾層卡，但隨著 JESD204B 器件的興起，可用板級(jí)空間內(nèi)能夠容納更多部件。FMC 規(guī)范定義的最多 10 個(gè) GT 鏈路是一個(gè)可用的數(shù)量。就是這有限數(shù)量的 GT 鏈路只需使用并行 I/O 所需引腳數(shù)量的一部分，就能夠提供 80 Gbps乃至更高的吞吐量。

使用 JESD204B 等接口的串行連接 I/O 器件的興起，確實(shí)給電子戰(zhàn)的部分細(xì)分應(yīng)用帶來(lái)了不足，例如數(shù)字化射頻存儲(chǔ)器 (DRFM)。因數(shù)據(jù)流水線較長(zhǎng)，串行接口不可避免地會(huì)帶來(lái)更大的時(shí)延。對(duì) DRFM 應(yīng)用來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸出之間的時(shí)延是一個(gè)根本性的性能參數(shù)。雖然各種串行連接器件之間的時(shí)延往往有很大不同，新一代器件會(huì)讓數(shù)據(jù)以越來(lái)越快的速度穿過(guò)流水線，其中部分器件有望具備調(diào)節(jié)流水線深度的能力。究竟能實(shí)現(xiàn)多大的改進(jìn)，仍有待觀望。

今天部分采樣率大于 1Gbps 的標(biāo)準(zhǔn) ADC 器件的時(shí)延低于 100 ns。其他應(yīng)用能夠容忍這一時(shí)延，或忽略不計(jì)，包括軟件定義射頻 (SDR)、雷達(dá)告警接收器和其他信號(hào)情報(bào) (SIGINT) 細(xì)分領(lǐng)域。在大眾市場(chǎng)化電信基礎(chǔ)設(shè)施的推動(dòng)下，新一代 RF ADC 和 DAC 技術(shù)得到了廣泛使用，這些應(yīng)用也因此獲得了顯著優(yōu)勢(shì)。

在 FPGA 社區(qū)之外，新一代 DSP 器件也在開(kāi)始采用 JESD204B。但是 FPGA 很有可能仍然能夠占據(jù)最能充分發(fā)揮寬帶模擬 I/O 器件功能的位置。這是因?yàn)?FPGA 能以更優(yōu)異的并行性處理巨大的數(shù)據(jù)量。

FMC+ 的演進(jìn)

為將 FMC 提升到全新的高度，VITA 57.4 工作組已經(jīng)使用工作在更高速度上的更大數(shù)量 GT 鏈路制定出一個(gè)規(guī)范。FMC+ 只是給 FMC 連接器增加外層列來(lái)處理更多信號(hào)，沒(méi)有更改任何電路板形狀或機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此具備完整的 FMC 后向兼容性。

新增行可以構(gòu)成增強(qiáng)型連接器的組成部分，從而最大限度地減少對(duì)可用板級(jí)空間的占用。FMC+ 規(guī)范把可用 GT 鏈路的最大數(shù)量從 10 個(gè)增加到 24 個(gè)，并可選擇添加另外 8 個(gè)鏈路，從而實(shí)現(xiàn)合計(jì) 32 個(gè)全雙工鏈路。額外的鏈路使用 HSPCe 單獨(dú)連接器（HSPC 為主連接器）。表 1 是 FMC 和 FMC+ 連接的概覽多個(gè)獨(dú)立信號(hào)完整性團(tuán)隊(duì)對(duì)更高的 28Gbps 數(shù)據(jù)率進(jìn)行了特性描述和驗(yàn)證。在包含并行接口的情況下，每個(gè)方向的最大雙工吞吐量現(xiàn)在能夠超過(guò) 900Gpbs。關(guān)于同時(shí)支持 FMC 和 FMC+ 的不同功能的數(shù)字化解決方案預(yù)期能達(dá)到的凈吞吐量的略圖，請(qǐng)參閱圖 2。

圖 2 - FMC 與 FMC+ 數(shù)字化器的吞吐能量對(duì)比

設(shè)計(jì)人員可以利用 FMC+ 實(shí)現(xiàn)的更大吞吐量充分發(fā)揮提供巨大 I/O 帶寬的新器件的優(yōu)勢(shì)。這里仍然需要有權(quán)衡，例如有多少器件能安裝到該夾層卡的可用空間中，但對(duì)適度數(shù)量的通道而言，與今天的 FMC 規(guī)范相比，可實(shí)現(xiàn)的吞吐量已經(jīng)是巨大的飛躍。

新一代 ADC 和 DAC

在今后幾年里可以合理預(yù)計(jì)高精度 ADC 和 DAC 將突破 10 Gsps 壁壘，使用直接 RF 采樣支持 L-、S- 乃至 C 波段頻率的極寬寬帶通信。在 10Gbps 以下，12 位、14 位乃至 16 位精度的轉(zhuǎn)換器正在興起，部分支持多個(gè)通道。這些器件的大部分將使用配備 12 Gbps 通道的 JESD204B（或更新版本）的信號(hào)處理，直至更新一代產(chǎn)品讓這一速度邁上新的高度。這些快速發(fā)展背后的動(dòng)力來(lái)自電信行業(yè)，但國(guó)防工業(yè)也能加以利用，以滿足尺寸、重量以及成本 (SWAP-C) 要求。

其他 FMC+ 的優(yōu)勢(shì)與用途

雖然和 FMC 類(lèi)似，F(xiàn)MC+ 也很可能被 ADC、DAC 和收發(fā)器產(chǎn)品左右，F(xiàn)PGA 提供的更大 GT 密度讓它能用于其他功能。兩個(gè)值得一提的功能是光纖和新型串行存儲(chǔ)器。

和 JESD204B 一樣，存在對(duì)更快、更密集光纖的需求。使用光纖排帶的器件能讓部件的尺寸最小。因?yàn)?FMC+ 的空間能立即支持 24 路全雙工光纖鏈路，有 FMC+ 支持的較高速度，該應(yīng)用很有可能率先實(shí)現(xiàn)。每路光纖 28Gbps 的帶寬將讓吞吐量迅速地邁過(guò)單芯片夾層卡 100G 和 400G 大關(guān)。今天在現(xiàn)行 FMC 格式上的 100G 光傳輸能力正在興起。

另一個(gè)適用于 FMC+ 的新興領(lǐng)域是混合存儲(chǔ)立方體 (HMC) 和 MoSys 的 Bandwidth Engine 等串行存儲(chǔ)器。這些新穎的器件屬于全新一類(lèi)高性能存儲(chǔ)器，

借助 GT 連接功能可提供前所未有的系統(tǒng)性能和帶寬。(賽靈思中國(guó)通訊第 43 期 ，查看這些新存儲(chǔ)器類(lèi)型。)

呱呱落地

新一代 FMC 規(guī)范已經(jīng)推出，正在適應(yīng)串行連接器件推動(dòng)的新技術(shù)。FMC 行業(yè)的主要參與者已經(jīng)開(kāi)始采用這一規(guī)范。圖 3 所示的是采用 FMC+ 的第一款賽靈思演示板 KCU114。FMC 標(biāo)準(zhǔn)借助新的 FMC+ 涅槃重生并已呱呱落地，為新一代高性能 FPGA 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用做好了準(zhǔn)備。

圖 3 - 采用 FMC+ 的賽靈思 KCU114 演示板