復雜度日益增加的系統(tǒng)設計要求高性能FPGA的設計與
PCB設計平行進行。透過整合FPGA和PCB設計工具以及采用高密度互連(HDI)等先進的制造制程，這種設計方法可以降低系統(tǒng)成本、最佳化系統(tǒng)性能并縮短設計周期。
電子產(chǎn)業(yè)背后的推動力是對更快、更便宜的產(chǎn)品的需求以及在競爭廠商之前將產(chǎn)品推向市場。IC技術的進步一直以來就是促使功能增加和性能提高的主要因素之一，而FPGA技術也一直以非?？斓乃俣仍诎l(fā)展。與過去FPGA僅僅用作膠合邏輯不同的是，現(xiàn)在FPGA已經(jīng)被用來實現(xiàn)主要系統(tǒng)功能。FPGA的邏輯閘數(shù)已達1,000萬，核心速度達到400MHz，能提供高達11Gbps的下一代晶片間通訊速度。而與此同時，它仍然保持著非常合理的成本，因此，與ASIC和定制IC相比，F(xiàn)PGA是一種更具有吸引力的選擇。
IC和FPGA技術的進步對下游產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的效應影響到了PCB產(chǎn)業(yè)，這些高接腳數(shù)和高性能封裝推動新的PCB生產(chǎn)及設計技術具有諸如嵌入被動元件、Gb訊號和EMI分析等功能，并對專用的高密度和高性能布線提出了需求。基本的系統(tǒng)設計方法也在產(chǎn)生變化，對FPGA和PCB的設計可以平行進行以降低系統(tǒng)成本、最佳化系統(tǒng)性能并縮短設計周期。
PCB和FPGA一般是在不同的設計環(huán)境下建立，過去這些設計方案很少相互溝通。然而，隨著高性能、高密度FPGA元件的日益流行，為滿足緊湊的上市時間表，如今PCB和FPGA設計團隊必須平行工作，不斷地交換數(shù)據(jù)和資訊以確保整個系統(tǒng)設計獲得成功。
當在PCB上實現(xiàn)高階FPGA時，設計工程師面臨性能最佳化和系統(tǒng)設計生產(chǎn)率的雙重挑戰(zhàn)。設計工程師必須問自己：是什么問題使得過程慢了下來？需要做什么來獲得最佳性能？這些問題的答案可幫助他們找出可實現(xiàn)更小、更便宜和更快系統(tǒng)的解決方案。
設計效率的挑戰(zhàn)
設計工程師需要平行設計PCB和FPGA時，F(xiàn)PGA設計工程師再也不能像以前那樣獨立地設計，然后將完成的FPGA設計交給PCB設計工程師就可了事。一個有競爭力的設計要求FPGA和PCB設計工程師從上至下的協(xié)作，各自做些折衷以保證最后得到一個最佳系統(tǒng)。平行設計的好處是它能減少設計周期、最佳化系統(tǒng)性能并降低制造成本。
平行設計的挑戰(zhàn)在于FPGA布局和布線工具得到的結果需要淮確、迅速地映射到原理圖和PCB布局中，同時PCB設計的任何改變也必須在FPGA上更新。傳統(tǒng)的設計過程是先設計FPGA，然后再將它們交給PCB設計工程師進行電路板實現(xiàn)，如今這種做法不再可行。
如果FPGA設計/合成、布局/布線以及PCB設計環(huán)境沒有被整合，F(xiàn)PGA和PCB方案之間的溝通必須用人工的方法來實現(xiàn)。對于有幾百個接腳的小型FPGA，這可能還可以接受，但是，如今很多設計擁有多個高度復雜的FPGA，使用這種方法進行資訊溝通將非常浪費時間，并容易出錯。僅僅是高接腳數(shù)FPGA的PCB原理圖符號的建構和更新，就可以凸顯這個問題。
另外一個問題涉及到PCB上的大型FPGA。與小型FPGA的符號不同，大型FPGA的單個符號在一張原理圖放不下。這些符號必須透過功能分組被分成幾個符號，并在FPGA的設計反覆過程中保持不變。
FPGA設計工程師花費大量時間調(diào)整性能、選擇正確的I/O接腳驅動器/接收器，然而FPGA的設計并非僅受FPGA設計工程師的控制。當在PCB上進行FPGA的布局和布線時，設計環(huán)境可能要求改變FPGA的接腳分配，如果PCB工具中沒有FPGA設計規(guī)則，這可能成為一個重覆而費時的過程。
此外，F(xiàn)PGA的I/O分配也成了一個系統(tǒng)問題。設計工具需要能夠管理接腳分配，但它們必須能被PCB和FPGA設計工程師用來溝通接腳約束。PCB設計工程師無法產(chǎn)生一個阻止FPGA時序收斂的條件，而FPGA設計工程師也不能產(chǎn)生一個阻止系統(tǒng)時序收斂的條件。
FPGA的32位元匯流排必須直接與左邊連接器進行通訊，這是一個高速匯流排，其上所有網(wǎng)路必須匹配以獲得適當?shù)钠笨刂啤?/div>
為使所有的走線長度與最長網(wǎng)路相匹配，布線器增加很多蛇形走線。從PCB布線的角度來看，其結果是一團糟：有很多額外的擁塞、太多額外的走線以及一個工作性能并非最佳的匯流排。
布線器也對所有的走線長度與最長走線進行了匹配。即使這樣，每條走線的長度也只有1.8英吋，而此前為3.2英吋，更短的匹配長度使匯流排延遲減少到320皮秒。這種性能最佳化是整合FPGA和PCB設計過程的結果，它可獲得理想的FPGA接腳圖。
這個例子說明了在PCB上裝配FPGA可能存在的挑戰(zhàn)，包括：額外的擁塞需要更長的PCB設計時間完成布線；并非最佳的系統(tǒng)性能；額外的布線要求額外的PCB層，進而增加制造成本。
功能方面的障礙
IC和FPGA元件已經(jīng)過最佳化以便得到更高性能，例如，它們現(xiàn)在能夠實現(xiàn)每秒數(shù)Gb的串列通訊性能。從時序收斂、訊號完整性以及全面降低PCB布線密度的角度來看，這種方法有以下幾個優(yōu)點：
1．時序?；礇]那么嚴格：時脈包含在串列訊號內(nèi)，因此設計工程師不需要管理時脈和數(shù)據(jù)之間的時序；
2．改善訊號完整性：所有訊號都使用差分線對，可提高訊號品質(zhì)；
3．布線簡化：串列訊號沿一條路徑(實際上是差分線對)傳輸，而不是在具有多條走線的匯流排上平行傳輸，這意味著互連需要較少的走線和層數(shù)；
4．晶片上端接：透過在FPGA內(nèi)整合可變電阻端接器，板上需要的表面黏著元件更少，可以節(jié)省空間并提高性能。在更新的元件裡還包含了晶片上電容，可節(jié)省更多的空間。
在系統(tǒng)中使用這些高階FPGA則使PCB設計成為整個系統(tǒng)設計取得成功的關鍵途徑，其中系統(tǒng)必須能高速執(zhí)行，并具有生產(chǎn)成本效益，還能按時完成設計。
每秒數(shù)Gb的通訊速度要求一套能夠進行訊號走線并驗證的全新工具。這時PCB上的走線、連接器和過孔也需要消耗功率，必須小心地對它們建模，用經(jīng)典的訊號完整性分析方法計算延遲、過衝/下衝和串擾。另外還必須用理解位元模式、預加重、均衡和眼圖，對工作在GHz頻率范圍的串列連接進行建模。EDA和FPGA供應商也正在協(xié)作，以‘設計套件’的形式提供淮確的元件模型、設計約束和參考設計，這都將提高設計品質(zhì)并縮短設計周期。
串列I/O還需要由公共系統(tǒng)約束驅動的改進的PCB布局和布線技術，另外還須根據(jù)最大的匹配延遲以及用到的過孔數(shù)量嚴格控制差分線對的走線。
先進的PCB制造技術
高階FPGA的高接腳數(shù)和高接腳密度產(chǎn)生的另一個挑戰(zhàn)是需要將FPGA裝配到PCB上，然后再將它們連接到板上的其它IC。在很小的面積上有如此多接腳，以致采用普通PCB制造制程幾乎不可能進行內(nèi)部連線。其結果是，這些元件促進了先進PCB制造技術的采用，例如高密度互連(HDI)以及嵌入被動元件等。
HDI在PCB上使用IC制造技術。HDI層沉積在傳統(tǒng)PCB壓合層上(例如FR4)，可以制造出很窄的走線和很小的過孔(微過孔)，并很容易使扇出遠離高密度封裝，通常是球柵陣列(BGA)或晶片級封裝(CSP)。另外，使用這些HDI技術還需要能夠理解這種PCB和IC混合生產(chǎn)技術的專用PCB布局軟體。
HDI/微過孔的好處包括：
1.減少產(chǎn)品尺寸：PCB基板的高度和厚度降低，體積也減小了；
2.增加走線密度：每個元件的連線更多，而元件布置得更緊密；
3.降低成本：HDI能減少電路板的層數(shù)和面積，使每塊大的裸板能產(chǎn)出更多電路板，削減生產(chǎn)成本；
4.改善電氣性能：HDI的寄生效應只有通孔的十分之一，其引線更短，噪音裕量更大；
5.降低無線電干擾(RFI)/EMI：因為地平面更接近或者就在表層，可利用地平面的分布電容，大大減少RFI/EMI；
6.提高散熱效率：HDI層的絕緣介質(zhì)很薄，溫度梯度很高，可提高散熱性能；
7.提高設計效率：微過孔使雙面布局變得容易，還改善了元件接腳的走線(在焊盤上打過孔)，因而留出更多的內(nèi)層布線空間；
8.提高良品率(DFM)：由于間隙很小，HDI板幾乎不需要壓合；
9.減少層數(shù)：通常需要10到12層板的表面貼技術(SMT)，采用HDI制造制程只需6層就可以實現(xiàn)；
10.縮短設計周期：由于采用埋孔，布線空間更充足，可顯著減少設計時間。
此外，這些高接腳數(shù)元件需要很多去藕電容和端接電阻以保證工作性能，傳統(tǒng)的SMD被動元件會佔用表面層的寶貴面積。透過將這些被動元件嵌入到PCB內(nèi)層，PCB的尺寸可大幅減少，同時性能也能得到提高。
嵌入被動元件具有很多優(yōu)點，包括：
1.增加設計密度：將被動SMD移入到內(nèi)層能讓其它元件布置得更緊密；
2.降低系統(tǒng)成本：雖然額外的步驟將增加生產(chǎn)成本，但是透過減少SMD并使電路板面積最小化，可降低整體系統(tǒng)成本；
3.減輕系統(tǒng)重量和電路板面積：去除SMD能減少電路板尺寸和重量；
4.提高性能：被動元件可以非?？拷鲃釉?，這可減少電感，提高性能；
5.提高可靠性和品質(zhì)：需要裝配的SMD越少意味著潛在的焊接故障越少；
6.增加功能：為增加功能創(chuàng)造了機會，而不用擔心減少設計面積；
就像其它任何新興技術一樣，隨著支援它們的基礎技術的發(fā)展，其成本將下降。嵌入被動元件技術便是如此，它曾經(jīng)僅用于非常先進的設計，但現(xiàn)在它甚至用在那些要求小尺寸、高功能的消費類產(chǎn)品中。
嵌入被動元件的設計關鍵是要有便于高效設計的自動化工具。如果由人工來定義庫元件，那么要設計具有不同參數(shù)值和公差的數(shù)百個被動元件是不可能的，它需要由電阻和電容特性參數(shù)(來自零配件供應商)驅動的自動綜合算法。這些綜合算法驅動那些分析所有被動元件所需的權衡工具，并幫助確定最佳材料組合和外形尺寸。這些權衡工具有助于減少電路板上的元件數(shù)量，減少生產(chǎn)步驟和最終成本。
本文小結
從事電子產(chǎn)品設計的公司需要FPGA工具和PCB設計工具進行緊湊、雙向地整合，還需要EDA和FPGA供貨商緊密合作。有了這種整合與合作，他們才能達到上市時間和性能的目標，否則日益增加的系統(tǒng)設計復雜度將使設計過程停滯不前，并最終消減或吞噬公司的利潤。
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