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SiliconBlue - FPGAs für mobile Elektronik

Hi-Q-News "FPGAs für mobile Elektronik"

Vor dem Hintergrund der überwältigenden Verkaufserfolge eines iPhones oder EeePCs überrascht es wenig, dass die Zukunft der Consumer Electronic zunehmend in mobilen Geräten wie MIDs und Nettops gesucht wird. Gemeinsam ist dieser Geräteklasse der Spagat zwischen Funktionalität auf der einen und Batteriestandzeiten auf der anderen Seite, gilt es doch möglichst viele multimediale Features aus schrumpfenden Akkugrößen zu versorgen. Dabei sind es nicht nur die Prozessoren, die ihren Stromtribut fordern, auch Schnittstellen, State-Machines, FiFos und nicht zuletzt die Glue-Logik wollen ausreichend gespeist sein. Eine Lösung dieser Problematik verspricht nun SiliconBlue mit seiner mobileFPGA-Serie, die viel Logik mit wenigen µA antreibt.

mobileFPGA - zum ASIC-Preis

SiliconBlue bietet als ersten Vertreter seiner mobileFPGA-Familie den iCE65, ein kostengünstiges FPGA mit niedrigstem Stromverbrauch und kleinsten Gehäusegrößen, gefertigt in einem 65nm-Prozess von TMSC. Um sich in einem starken Wettbewerbsumfeld zu behaupten, müssen Eigenschaften wie „Low Power“ und „Small Footprint“, sowie „Non-Volatile Configuration“ deutlich besser sein, ohne dabei aber serientaugliche Preise aufzugeben.

Mit einem Stromverbrauch von weniger als 15 µA (f <= 32 kHz) glänzt der iCE65L04, ein FPGA mit etwa 200k Gatteräquivalenten, 176 I/O-Pins und einer umfangreichen Gehäuseauswahl mit den Bauformen VTQFP, Chip-Scale-BGA, WLCSP oder Known-Good-Die. Mit Serienpreisen im Bereich von 1..3 US$ sind auch diese Forderungen in hohem Maße erfüllt und beste Voraussetzungen für das Design-In auch im Bereich der Consumer-Elektronik geschaffen.

Größte Anstrengungen hat der junge FPGA-Hersteller auf die Optimierung des Stromverbrauchs gerichtet, wobei als Basis ein „handelsüblicher“ 65 nm CMOS-Prozess zum Einsatz kommt, der prinzipiell natürlich auch anderen Marktteilnehmern zur Verfügung steht. Durch ein sorgfältiges und pfiffiges Design wurde es möglich die Leistungsaufnahme in allen Betriebsarten soweit zu senken, dass die "iCE-Zone" erreicht wurde, jener Bereich gemäß SiliconBlue-Diktion, den bislang nur ASICs mit 65nm Strukturbreite bieten konnten.

On-Chip Konfiguration

Ebenfalls äußerst relevant im Zusammenhang mit dem CMOS-Fertigungsprozess ist die Realisierung eines dauerhaften Konfigurationsspeichers. Die übliche Methode eines externen, seriellen Flash-Bausteins ist nicht recht serienfreundlich und birgt zudem die Gefahr des Auslesens von Konfigurationsinhalten. SiliconBlue hat daher eine Lösung entwickelt, die weder eine Änderung des CMOS-Prozesses notwendig macht, noch zusätzliche Bestückungs- oder Interconnection-Kosten verursacht.

Dazu wurde ein sog. Kilopass XPM™ non-volatile Memory integriert, das auf Basis des verwendeten CMOS-Prozesses funktioniert und sehr dauerhafte und zuverlässige Speicherung der Konfigurationsdaten ermöglicht. Ergänzt wurde der Kilopass-Speicher mit einem internen seriellen Interface zum einfachen Austausch der Daten. Das NVCM (= Non Volatile Configuration Memory) lässt sich nach der Programmierung sperren und ist dauerhaft gegen Änderung oder „Reverse Engineering“ geschützt.

Zuverlässigkeit

Der sicheren Speicherung von Konfigurationsinhalten muss natürlich in diesem FPGA-Konzept höchste Aufmerksamkeit geschenkt werden. SiliconBlue hat daher das NVCM auf der Prozess- und Anwendungsebene sorgfältig geprüft.

Dabei hat sich gezeigt, dass die NVCM-Speicherzelle und die zugehörige Schaltung deutlich zuverlässiger arbeiten als alternative NVM-Technologien. Über den gesamten Produktlebenszyklus ändern programmierte sowie unprogrammierte Zellen ihren Zustand nicht. Da NVCM keine Ladung speichert, ist es immun gegen Ionen-Kontamination, UV-Licht und anderen Strahlungen, die beispielsweise sehr wohl in der Lage sind, NV-Speicher vom Typ Floating-Gate und SONOS zu beeinträchtigen. Ausführliche Zuverlässigkeitstests konnten belegen, dass sowohl das unmodifizierte Gate-Dielektrikum zur Darstellung der logischen „0“ als auch das modifizierte Dielektrikum (logische „1“) außergewöhnlich zuverlässig erhalten bleibt und auch unter Einfluß hoher Temperaturen (Baking Test mit 150ºC) über mehrere Tausend Stunden keine „Gedächtnislücken“ entwickelt.

Um den zufällig auftretenden „Random Errors“ entgegen zu wirken, wurden etablierte Fehlerkorrekturverfahren implementiert, die einzelne „0“ oder „1“-Bitfehler kompensieren können. Anwender der mobileFPGAs können also sicher sein, dass ihr Design Know-How in Form der Konfigurationsdaten nicht gehackt werden kann und dass ausgelieferte Bauelemente mit abgeschlossener Programmierung sich ebenso zuverlässig verhalten wie ASICs.

iCEman für coole Entwicklungen

Zur Entwicklungsunterstützung seiner mobileFPGA-Bausteine bietet SiliconBlue ein sehr kompaktes Entwicklungsboard (ca. 130 x 130 mm) mit Namen iCEman65. Dazu sind auch 2 weitere Peripherieboards verfügbar, ein PDM1 (PDM = Peripheral Daughter Module) mit 2-zeiligem alphanumerischem LCD-Display, einer QWERT-Eingabetastatur und Licht-/Temperatursensoren sowie ein PDM2 mit Farb-LCD-Bildschrim und integriertem Touch-Screen Controller.

Zusammen mit den PDMs und einer umfangreichen Bibliothek an getesteten IPs bietet sich so die Möglichkeit, Designs sowohl als Proof-Of-Concept als auch bis zur Turnkey-Reife zu entwickeln. Auf dem iCEman wird die Konfiguration über ein externes SPI FLASH-Memory ausgetauscht, das beliebige Änderungen der Konfiguration währen des Design-Zyklus’ erlaubt.

SiliconBlue bietet eine umfangreiche IP-Bibliothek für Consumer Handheld-Geräte, wie beispielsweise GPIO Pin-Expansion, Voltage-Level-Translation, SPI, I2C, MLC NAND Flash-Controller, CF-Controller, MDDI, irDA, SD-Controller, SDIO, SDHC, UART-Expansion, I2S, LED/ LCD-Character-Controller, Dual-Display-Controller und YPbPr-RGB888, -RGB666 und -RGB565 Farbraumkonverter.

Das iCEman65-Board wird über USB an einen Host-PC angeschlossen und darüber auch elektrisch versorgt, auf dem wahlweise unter Windows oder RedHat Linux die Entwicklungsumgebung „iCEcube“ läuft. Diese Verilog- und VHDL-basierende Entwicklungs-Suite nutzt die Synthese- und Placement-Tools der Firma Magma Design Automation (Magma Blast FPGA) und bietet alle Möglichkeiten und die Ergonomie einer modernen GUI-basierten Entwicklungsumgebung.