معرفی خانواده های مختلف FPGA های شرکت XILINX
معرفی و مقایسه نسل 7
FPGA XILINX سری 7 | پر کاربرد ترین
FPGAهای سری 7 بر اساس فرآیند 28 نانومتری و فناوری High-k Metal Gate (HKMG) طراحی شده‌اند. این تکنولوژی، به‌طور چشمگیری قدرت پردازش، پهنای باند، و بهره‌وری انرژی را نسبت به نسل قبل، افزایش داده است.
این خانواده‌ها به‌طور کلی به چهار گروه تقسیم می‌شوند که هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند:
- Spartan7: به‌عنوان اقتصادی‌ترین گزینه با مصرف انرژی کم و هزینه پایین برای کاربردهایی با نیاز به پردازش کم و متوسط طراحی شده است.
- Artix7: برای کاربردهای کم‌مصرف با نیاز به سرعت بالا در ارتباطات و پردازش سیگنال‌های دیجیتال بهینه شده است.
- Kintex7: دارای تعادل عالی بین قیمت و عملکرد است و برای کاربردهای با نیازهای پردازشی سنگین و اتصال سریع طراحی شده است.
- Virtex7: برای کاربردهایی با نیاز به بالاترین ظرفیت و عملکرد طراحی شده است، از جمله سیستم‌های ارتباطی و پردازش‌های پیشرفته.
توجه: ZYNQ7 را در مقاله ZYNQ بررسی خواهیم کرد.
ویژگی‌های عمومی سری 7
– پردازش موازی و پردازش سیگنال دیجیتال: این تراشه‌ها مجهز به اسلایس‌های DSP هستند که توانایی پردازش سیگنال‌های پیچیده را با سرعت بالا فراهم می‌کنند.
– پهنای باند بالا: خانواده‌های مختلف این سری از FPGAها از ترنسیورهای چند گیگابیتی پشتیبانی می‌کنند. میتوانند پهنای باندهای مختلفی از 600 مگابیت بر ثانیه تا 28.05 گیگابیت بر ثانیه را ارائه دهند.
– پشتیبانی از PCI Express: برای اتصال به سیستم‌های دیگر، این FPGAها از PCIe نسل 3.0 با حداکثر 8 خط پشتیبانی می‌کنند که سرعت انتقال داده‌ها را افزایش می‌دهد.
– مدیریت توان و مصرف انرژی: فناوری‌هایی چون حالت کم‌مصرف (low-power mode) به کاربران این امکان را می‌دهند که مصرف انرژی را به حداقل برسانند.
معماری داخلی
- بلوک های منطقی (CLB)
در FPGA سری 7 نیز مانند دیگر نسل ها، واحدهای Configurable Logic Block (CLB) برای انجام عملیات منطقی استفاده می‌شوند.
این CLBها شامل LUTs (Look-Up Tables) و FFs (Flip-Flops) هستند که میتوانند برای پردازش و ذخیره‌سازی داده‌ها به‌طور هم‌زمان استفاده شوند. هر CLB از چندین اسلایس تشکیل شده که میتوانند به‌طور مستقل به پیکربندی‌های مختلف تخصیص یابند.
- پردازش سیگنال دیجیتال (DSP)
هر FPGA از سری 7 شامل اسلایس‌های DSP برای پردازش داده‌های عددی پیچیده است. این اسلایس‌ها شامل ضرب‌کننده‌های 25×18 بیتی و جمع‌کننده‌های 48 بیتی هستند که امکان پردازش سریع سیگنال‌های دیجیتال را فراهم می‌کنند.
این ویژگی برای کاربردهایی مانند پردازش صوت و تصویر یا فیلترهای دیجیتال بسیار مناسب است. نسبت به سری های قبل، نیاز کمتری به IP ها برای ضرب و جمع داریم.
- حافظه بلوک RAM
این حافظه ها داخل خود FPGA هستند و سرعت ذخیره سازی و بازیابی داده ها را به شدت سرعت میبخشند. حتی از RAM های خارجی DDR4 نیز بسیار سریعتر خواهند بود.
این تراشه‌ها از حافظه بلوکی 36 کیلوبیت دو پورتی بهره می‌برند که می‌تواند برای ذخیره‌سازی داده‌های موقت و عملیات FIFO استفاده شود. این ویژگی به‌ویژه در سیستم‌هایی که نیاز به سرعت بالای پردازش داده‌ها دارند، مفید خواهد بود.
- ترنسیورهای پرسرعت
ترنسیور = ترنس + رسیور = فرستند + گیرنده.
FPGAهای سری 7 مجهز به ترنسیورهای چند گیگابیتی با پشتیبانی از سرعت‌های مختلف برای انتقال داده هستند.
این ترنسیورها از سرعت‌های 600 مگابیت بر ثانیه تا 28.05 گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی می‌کنند و برای اتصال‌های سریع و بی‌وقفه به‌ویژه در مخابرات و شبکه‌های داده بسیار کاربردی هستند.
- مدیریت کلاک (Clock Management)
سری 7 FPGAها دارای فناوری Clock Management Tile (CMT) هستند که شامل PLL (Phase-Locked Loop) و MMCM (Mixed-Mode Clock Manager) برای تولید کلاک دقیق با تأخیر کم و اختلالات پایین است.
این ویژگی برای برنامه‌های پردازش سیگنال و کاربردهایی که نیاز به دقت زمانی دارند، حیاتی است.
کاربردهای FPGAهای سری 7
FPGAهای سری 7 Xilinx در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارند. برخی از این کاربردها عبارتند از:
- مخابرات و شبکه: این تراشه‌ها در طراحی سیستم‌های ارتباطی با پهنای باند بالا مانند نسل 4 و 5، مراکز داده، و ارتباطات ماهواره‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- پردازش تصویر و ویدئو:
با توجه به توان پردازشی بالا، این FPGAها برای پردازش تصویر، فشرده‌سازی و رمزگذاری ویدئو، و پخش زنده ویدئو استفاده می‌شوند.
- اتومبیل‌های خودران ADAS و سیستم‌های راداری: در زمینه کنترل خودران‌ها و پردازش داده‌های راداری، FPGAهای سری 7 به‌عنوان شتاب‌دهنده‌های پردازش عمل می‌کنند.
- هوش مصنوعی و یادگیری ماشین: با توجه به پشتیبانی از پردازش موازی و DSPهای پیشرفته، این FPGAها میتوانند برای پیاده‌سازی مدل‌های یادگیری عمیق و شبکه‌های عصبی استفاده شوند.
مقایسه با نسل‌های قبلی
در مقایسه با نسل‌های قبلی FPGAهای Xilinx، سری 7 دارای ویژگی‌های جدیدی مانند ترنسیورهای پرسرعت، حافظه‌های بلوک RAM با پهنای باند بالا، و مصرف انرژی بهینه هستند.
این ویژگی‌ها به این تراشه‌ها امکان پردازش سریعتر و با کارایی بیشتر در همان مصرف انرژی را می‌دهد.
مقایسه خانواده های مختلف سری 7
| ویژگی/خانواده | Spartan-7 | Artix-7 | Kintex-7 | Virtex-7 |
|---|---|---|---|---|
| Logic Cells | 102K | 215K | 478K | 1,955K |
| Block RAM | 4.2 Mb | 13 Mb | 34 Mb | 68 Mb |
| DSP Slices | 160 | 740 | 1,920 | 3,600 |
| DSP Performance | 176 GMAC/s | 929 GMAC/s | 2,845 GMAC/s | 5,335 GMAC/s |
| MicroBlaze CPU | 260 DMIPs | 303 DMIPs | 438 DMIPs | 441 DMIPs |
| Transceivers | – | 16 | 32 | 96 |
| Transceiver Speed | – | 6.6 Gb/s | 12.5 Gb/s | 28.05 Gb/s |
| Serial Bandwidth | – | 211 Gb/s | 800 Gb/s | 2,784 Gb/s |
| PCIe Interface | – | x4 Gen2 | x8 Gen2 | x8 Gen3 |
| Memory Interface | 800 Mb/s | 1,066 Mb/s | 1,866 Mb/s | 1,866 Mb/s |
| I/O Pins | 400 | 500 | 500 | 1,200 |
| I/O Voltage | 1.2V–3.3V | 1.2V–3.3V | 1.2V–3.3V | 1.2V–3.3V |
| Package Options | Low-Cost, Wire-Bond | Low-Cost, Wire-Bond, Bare-Die Flip-Chip |
Bare-Die Flip-Chip and High-Performance Flip-Chip | Highest Performance Flip-Chip |
مقایسه پکیج های مختلف spartan7
| Device | Logic Cells | CLB Slices | CLB Max Distributed RAM(Kb) | DSP Slices | Block RAM 18Kb | Block RAM 36kb | Block RAM Max kb | CMTs | PCIe | GT | XADC Blocks | Total I/O Banks | Max User I/O Slices |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| XC7S6 | 6,000 | 938 | 70 | 10 | 10 | 5 | 180 | 2 | 0 | 0 | 0 | 2 | 100 |
| XC7S15 | 12,800 | 2,000 | 150 | 20 | 20 | 10 | 360 | 2 | 0 | 0 | 0 | 2 | 100 |
| XC7S25 | 23,360 | 3,650 | 313 | 80 | 90 | 45 | 1,620 | 3 | 0 | 0 | 1 | 3 | 150 |
| XC7S50 | 52,160 | 8,150 | 600 | 120 | 150 | 75 | 2,700 | 5 | 0 | 0 | 1 | 5 | 250 |
| XC7S75 | 76,800 | 12,000 | 832 | 140 | 180 | 90 | 3,240 | 8 | 0 | 0 | 1 | 8 | 400 |
| XC7S100 | 102,400 | 16,000 | 1,100 | 160 | 240 | 120 | 4,320 | 8 | 0 | 0 | 1 | 8 | 400 |
مقایسه پکیج های مختلف Artix7
| Device | Logic Cells | CLB Slices | CLB Max Distributed RAM(Kb) | DSP Slices | Block RAM 18Kb | Block RAM 36kb | Block RAM Max kb | CMTs | PCIe | GT | XADC Blocks | Total I/O Banks | Max User I/O Slices |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| XC7A12T | 12,800 | 2,000 | 171 | 40 | 40 | 20 | 720 | 3 | 1 | 2 | 1 | 3 | 150 |
| XC7A15T | 16,640 | 2,600 | 200 | 45 | 50 | 25 | 900 | 5 | 1 | 4 | 1 | 5 | 250 |
| XC7A25T | 23,360 | 3,650 | 313 | 80 | 90 | 45 | 1,620 | 3 | 1 | 4 | 1 | 3 | 150 |
| XC7A35T | 33,280 | 5,200 | 400 | 90 | 100 | 50 | 1,800 | 5 | 1 | 4 | 1 | 5 | 250 |
| XC7A50T | 52,160 | 8,150 | 600 | 120 | 150 | 75 | 2,700 | 5 | 1 | 4 | 1 | 5 | 250 |
| XC7A75T | 75,520 | 11,800 | 892 | 180 | 210 | 105 | 3,780 | 6 | 1 | 8 | 1 | 6 | 300 |
| XC7A100T | 101,440 | 15,850 | 1,188 | 240 | 270 | 135 | 4,860 | 6 | 1 | 8 | 1 | 6 | 300 |
| XC7A200T | 215,360 | 33,650 | 2,888 | 740 | 730 | 365 | 13,140 | 10 | 1 | 16 | 1 | 10 | 500 |
مقایسه پکیج های مختلف KINTEX7
| Device | Logic Cells | CLB Slices | CLB Max Distributed RAM(Kb) | DSP Slices | Block RAM 18Kb | Block RAM 36kb | Block RAM Max kb | CMTs | PCIe | GT | XADC Blocks | Total I/O Banks | Max User I/O Slices |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| XC7K70T | 65,600 | 10,250 | 838 | 240 | 270 | 135 | 4,860 | 6 | 1 | 8 | 1 | 6 | 300 |
| XC7K160T | 162,240 | 25,350 | 2,188 | 600 | 650 | 325 | 11,700 | 8 | 1 | 8 | 1 | 8 | 400 |
| XC7K325T | 326,080 | 50,950 | 4,000 | 840 | 890 | 445 | 16,020 | 10 | 1 | 16 | 1 | 10 | 500 |
| XC7K355T | 356,160 | 55,650 | 5,088 | 1,440 | 1,430 | 715 | 25,740 | 6 | 1 | 24 | 1 | 6 | 300 |
| XC7K410T | 406,720 | 63,550 | 5,663 | 1,540 | 1,590 | 795 | 28,620 | 10 | 1 | 16 | 1 | 10 | 500 |
| XC7K420T | 416,960 | 65,150 | 5,938 | 1,680 | 1,670 | 835 | 30,060 | 8 | 1 | 32 | 1 | 8 | 400 |
| XC7K480T | 477,760 | 74,650 | 6,788 | 1,920 | 1,910 | 955 | 34,380 | 8 | 1 | 32 | 1 | 8 | 400 |
مقایسه پکیج های مختلف Virtex7
| Device | Logic Cells | CLB Slices | CLB Max Distributed RAM(Kb) | DSP Slices | Block RAM 18Kb | Block RAM 36kb | Block RAM Max kb | CMTs | PCIe | GTX | GTH | GTZ | XADC Blocks | Total I/O Banks | Max User I/O Slices | SLRs |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| XC7V585T | 582,720 | 91,050 | 6,938 | 1,260 | 1,590 | 795 | 28,620 | 18 | 3 | 36 | 0 | 0 | 1 | 17 | 850 | N/A |
| XC7V2000T | 1,954,560 | 305,400 | 21,550 | 2,160 | 2,584 | 1,292 | 46,512 | 24 | 4 | 36 | 0 | 0 | 1 | 24 | 1,200 | 4 |
| XC7VX330T | 326,400 | 51,000 | 4,388 | 1,120 | 1,500 | 750 | 27,000 | 14 | 2 | 0 | 28 | 0 | 1 | 14 | 700 | N/A |
| XC7VX415T | 412,160 | 64,400 | 6,525 | 2,160 | 1,760 | 880 | 31,680 | 12 | 2 | 0 | 48 | 0 | 1 | 12 | 600 | N/A |
| XC7VX485T | 485,760 | 75,900 | 8,175 | 2,800 | 2,060 | 1,030 | 37,080 | 14 | 4 | 56 | 0 | 0 | 1 | 14 | 700 | N/A |
| XC7VX550T | 554,240 | 86,600 | 8,725 | 2,880 | 2,360 | 1,180 | 42,480 | 20 | 2 | 0 | 80 | 0 | 1 | 16 | 600 | N/A |
| XC7VX690T | 693,120 | 108,300 | 10,888 | 3,600 | 2,940 | 1,470 | 52,920 | 20 | 3 | 0 | 80 | 0 | 1 | 20 | 1,000 | N/A |
| XC7VX980T | 979,200 | 153,000 | 13,838 | 3,600 | 3,000 | 1,500 | 54,000 | 18 | 3 | 0 | 72 | 0 | 1 | 18 | 900 | N/A |
| XC7VX1140T | 1,139,200 | 178,000 | 17,700 | 3,360 | 3,760 | 1,880 | 67,680 | 24 | 4 | 0 | 96 | 0 | 1 | 22 | 1,100 | 4 |
| XC7VH580T | 580,480 | 90,700 | 8,850 | 1,680 | 1,880 | 940 | 33,840 | 12 | 2 | 0 | 48 | 8 | 1 | 12 | 600 | 2 |
| XC7VH870T | 876,160 | 136,900 | 13,275 | 2,520 | 2,820 | 1,410 | 50,760 | 18 | 3 | 0 | 72 | 16 | 1 | 6 | 300 | 3 |
خانواده های نسل UltaScale
در حال تکمیل مطلب هستیم
خانواده های نسل UltraScale+
در حال تکمیل مطلب هستیم