作者：Actel公司John Ewald及中国区经理夏明威
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也能以相近的组件成本提供可重编程功能，是FPGA领域比较新的技术。然而，许多设计决策都是以比较这些不同FPGA技术的器件成本为基础，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的使用必需用到许多附加组件，而这些组件在基于反熔丝或FLASH的可编程逻辑器件中则不需要，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。
是否会增加处理器的成本和尺寸
举例说，SRAM FPGA需要使用导引PROM或其它附加存储组件，储存配置位的数据。在带有微处理器的系统中，片上内存是一种解决方法，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，这会带来更高的器件成本和采购成本、更多的器件存货、更复杂的制造工艺、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器件及焊接点数成正比例。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。如不理上述较隐性的成本，利用拥有50万到1百万系统门SRAM架构FPGA的可重编程PROM，使用每个FPGA组件的成本将增加约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如反熔丝器件将较为有利。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存储器可内置于芯片或作为微处理或微控制器的外部组件。作为外部组件，FLASH存储器会带来上述所有无形成本及附加的组件成本。一个典型的50万系统门SRAM FPGA需要2.8M配置位，而1百万系统门器件则需要4.1M配置位。
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能接受的。这个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在这方面的弱点在于其配置位流可被截取，设计容易被复制，失去了重大的知识产权（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，令到许多关键和昂贵的系统IP也采用，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流，其编程组件非常小并分散在整个器件中，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“密匙”存储在PROM中 — 附加的器件－同时还需要使用电池在掉电情况下保存密匙配置。由于没有密匙FPGA就不能进行编程，因此建议使用第二块电池为PROM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，但要以三个附加组件为代价，而这些组件在材料清单上大约为2美元，且其中两个附加组件还含有锂 —由于环保原因，设计人员都希望将其从系统中剔除。
总而言之，如果密匙和系统配置丢失 — SRAM是挥发性的 — 系统就会报废。然而，更严重的是由于克隆或反求而对宝贵的IP造成损失。
系统功耗问题
选择FPGA技术时还需要考虑系统功耗问题。SRAM器件需要附加功率以支持高达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2所示。基于SRAM的器件需要使用超规格电源以支持较高的功耗，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。
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100C，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。
隐性成本已算在内吗
100万系统门设计的附加组件成本可以达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、增加的器件存货、更复杂的制造工艺、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器件的产品为低。
最近，一个更重要的问题正引起广泛关注。由于器件的几何尺寸缩小，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，但会大量增加组件数量和成本，而反熔丝和FLASH FPGA则对这个问题免疫。
总括而言，仅根据器件成本选用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也较低。
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也能以相近的组件成本提供可重编程功能，是FPGA领域比较新的技术。然而，许多设计决策都是以比较这些不同FPGA技术的器件成本为基础，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的使用必需用到许多附加组件，而这些组件在基于反熔丝或FLASH的可编程逻辑器件中则不需要，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。
是否会增加处理器的成本和尺寸
举例说，SRAM FPGA需要使用导引PROM或其它附加存储组件，储存配置位的数据。在带有微处理器的系统中，片上内存是一种解决方法，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，这会带来更高的器件成本和采购成本、更多的器件存货、更复杂的制造工艺、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器件及焊接点数成正比例。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。如不理上述较隐性的成本，利用拥有50万到1百万系统门SRAM架构FPGA的可重编程PROM，使用每个FPGA组件的成本将增加约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如反熔丝器件将较为有利。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存储器可内置于芯片或作为微处理或微控制器的外部组件。作为外部组件，FLASH存储器会带来上述所有无形成本及附加的组件成本。一个典型的50万系统门SRAM FPGA需要2.8M配置位，而1百万系统门器件则需要4.1M配置位。
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能接受的。这个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在这方面的弱点在于其配置位流可被截取，设计容易被复制，失去了重大的知识产权（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，令到许多关键和昂贵的系统IP也采用，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流，其编程组件非常小并分散在整个器件中，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“密匙”存储在PROM中 — 附加的器件－同时还需要使用电池在掉电情况下保存密匙配置。由于没有密匙FPGA就不能进行编程，因此建议使用第二块电池为PROM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，但要以三个附加组件为代价，而这些组件在材料清单上大约为2美元，且其中两个附加组件还含有锂 —由于环保原因，设计人员都希望将其从系统中剔除。
总而言之，如果密匙和系统配置丢失 — SRAM是挥发性的 — 系统就会报废。然而，更严重的是由于克隆或反求而对宝贵的IP造成损失。
系统功耗问题
选择FPGA技术时还需要考虑系统功耗问题。SRAM器件需要附加功率以支持高达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2所示。基于SRAM的器件需要使用超规格电源以支持较高的功耗，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。
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100C，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。
隐性成本已算在内吗
100万系统门设计的附加组件成本可以达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、增加的器件存货、更复杂的制造工艺、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器件的产品为低。
最近，一个更重要的问题正引起广泛关注。由于器件的几何尺寸缩小，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，但会大量增加组件数量和成本，而反熔丝和FLASH FPGA则对这个问题免疫。
总括而言，仅根据器件成本选用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也较低。
