英特尔Arria 10器件：高性能与低功耗的完美结合

在当今电子技术飞速发展的时代，现场可编程门阵列（FPGA）和片上系统（SoC）在众多领域发挥着至关重要的作用。英特尔的Arria 10器件家族便是其中的佼佼者，它为高性能、对功耗敏感的中高端应用提供了理想的解决方案。今天，我们就来深入了解一下英特尔Arria 10器件的特点和优势。

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一、概述

英特尔Arria 10器件家族由高性能、低功耗的20nm中高端FPGA和SoC组成。与上一代中高端FPGA相比，它不仅性能更高，还通过一系列节能技术实现了出色的能效。其应用领域十分广泛，涵盖无线通信、有线通信、广播、计算与存储、医疗、军事等多个市场。

二、关键优势

（一）增强的核心架构

基于台积电20nm工艺技术构建，性能比上一代中高端FPGA提高了60%，比最快的上一代FPGA提高了15%。这使得Arria 10在处理复杂任务时更加高效。

（二）高带宽集成收发器

短距离传输速率高达25.8Gbps，背板能力可达12.5Gbps，还集成了10GBASE - KR和40GBASE - KR4前向纠错（FEC）功能，确保了高速、稳定的数据传输。

（三）改进的逻辑集成和硬核IP模块

• 8输入自适应逻辑模块（ALM）：优化了逻辑功能的实现，提高了设计的灵活性和效率。
• 高达65.6兆比特（Mb）的嵌入式内存：满足了大量数据存储的需求。
• 可变精度数字信号处理（DSP）块：支持多种精度的信号处理，适应不同的应用场景。
• 分数合成锁相环（PLL）：提供精确的时钟合成和延迟补偿。
• 硬核PCI Express Gen3 IP块：支持高速数据传输和设备间的通信。
• 硬核内存控制器和PHY：最高支持2400兆比特每秒（Mbps）的数据速率，确保了内存访问的高效性。

（四）第二代硬核处理器系统（HPS）

集成了双核ARM Cortex - A9 MPCore处理器，将处理器、硬核IP和FPGA紧密集成在一个芯片上，支持超过128Gbps的峰值带宽，并实现了处理器和FPGA之间的数据一致性。

（五）先进的节能技术

采用了一系列先进的节能特性，如功率优化的MultiTrack路由和核心架构，与上一代中高端FPGA相比，功耗降低了40%，与上一代高端FPGA相比，功耗降低了60%。

三、器件变体和封装

（一）变体

• Arria 10 GX：适用于短距离应用，具有17.4Gbps的收发器和12.5Gbps的背板驱动能力。
• Arria 10 GT：除了具备GX的特性外，还支持25.8Gbps的收发器，可用于CAUI - 4和CEI - 25G应用。
• Arria 10 SX：集成了基于ARM的HPS和FPGA，同样具有17.4Gbps的收发器和12.5Gbps的背板驱动能力。

（二）封装

提供1.0mm球间距的FineLine BGA（FBGA）封装和0.8mm球间距的Ultra FineLine BGA（UBGA）封装，多种器件具有相同的封装尺寸，便于不同FPGA密度之间的无缝迁移，还支持迁移到下一代高端Stratix 10器件，并且有RoHS、含铅和无铅等多种选项。

四、内部架构和特性

（一）自适应逻辑模块（ALM）

采用20nm的ALM作为逻辑结构的基本构建块，与上一代FPGA的ALM架构相同，便于逻辑功能的高效实现和IP的转换。它使用8输入可分拆查找表（LUT）和四个专用寄存器，有助于在寄存器密集型设计中实现更好的时序收敛和更高的设计封装能力。

（二）可变精度DSP块

支持定点和浮点运算。在定点运算方面，具有高性能、低功耗的乘法运算，支持18位和27位字长，内置加法、减法和64位双累加寄存器等；在浮点运算方面，支持乘法、加法、减法、乘加、乘减和复数乘法等多种运算。

（三）嵌入式内存块

包含20Kb的M20K块和640位的内存逻辑阵列块（MLABs）。M20K块适用于较大的内存阵列，提供多个独立端口；MLABs适用于宽而浅的内存阵列，如移位寄存器、FIFO缓冲区和滤波器延迟线等。

（四）时钟网络和PLL时钟源

基于英特尔的全局、区域和外围时钟结构，支持高达800MHz的核心时钟频率，外部内存接口时钟频率可达2400Mbps。通过分数合成PLL和整数I/O PLL，可实现精确的时钟合成和延迟补偿，还能减少振荡器和时钟引脚的使用。

（五）FPGA通用I/O

提供高度可配置的通用I/O（GPIO），包括3V I/O和LVDS I/O，支持多种单端和差分I/O接口，LVDS速度可达1.6Gbps，每个LVDS对可独立配置为输入或输出，还具有可编程的总线保持、弱上拉、差分输出电压和预加重等功能。

（六）外部内存接口

提供大量的外部内存带宽，支持DDR4、DDR3和DDR3L等多种内存标准，最高可配置144位的宽度。每个I/O包含硬化的DDR读写路径（PHY），具备读写电平调整、FIFO缓冲、时序校准和片上终端等功能，还支持串行内存技术，如混合内存立方体（HMC）。

（七）PCIe Gen1、Gen2和Gen3硬核IP

包含完整的PCIe堆栈，支持PCIe Gen3、Gen2和Gen1的端点和根端口，可独立于核心逻辑运行，支持通过协议进行FPGA配置，提供端到端的数据路径保护和新兴功能支持。

（八）增强的PCS硬核IP

支持Interlaken和10Gbps以太网，提供高达25.8Gbps的速率，集成了电子色散补偿（EDC），可直接连接标准的10Gbps XFP和SFP + 可插拔光模块，支持背板以太网应用和10GBASE - KR前向纠错（FEC）。

（九）低功耗串行收发器

提供行业最低的每通道功耗，支持多种数据速率，适用于芯片间、芯片到模块、长距离和背板等不同应用场景。采用20nm工艺技术和架构改进，减少了芯片面积和功耗，提高了收发器I/O密度。

五、SoC与硬核处理器系统（HPS）

（一）优势

将FPGA和HPS集成在一个芯片上，减少了电路板空间、系统功耗和物料成本，支持几乎任何接口标准，可通过现场硬件和软件更新延长产品寿命和增加收入。

（二）HPS特性

• 处理器：1.2GHz的双核ARM Cortex - A9 MPCore处理器，可通过超频达到1.5GHz，具备ARMv7 - A架构和多种指令集支持。
• 内存：支持DDR3、DDR4和可选的错误校正码（ECC），具有512KB的共享L2缓存和256KB的暂存RAM。
• 外设：包括多个以太网媒体访问控制（MAC）、USB On - the - Go（OTG）控制器、I2C控制器、UART、SPI等，还具备62个可编程通用I/O。
• 安全特性：提供防篡改、安全启动、加密（AES）和认证（SHA）等功能。

（三）HPS与FPGA的连接

通过高性能的ARM AMBA AXI总线桥实现紧密耦合，支持同时读写事务，处理器可通过专用的32位配置端口对FPGA进行配置。

六、动态和部分重配置

支持动态和部分重配置，可在设备运行时对PMA和PCS块进行重新配置，改变通道的数据速率、协议和模拟设置，而不影响其他通道的数据传输。部分重配置可在设备运行时对部分功能进行重新配置，提高了设备的有效逻辑密度，降低了成本和功耗。

七、配置和安全

支持多种配置方案，如JTAG、主动串行（AS）、被动串行（PS）、快速被动并行（FPP）和通过协议配置（CvP）等，可通过PCIe进行配置，满足不同的应用需求。同时，提供了强大的设计安全功能，如加密和压缩，保护用户的知识产权。

八、SEU错误检测和纠正

具备强大的单事件翻转（SEU）错误检测和纠正电路，保护配置RAM（CRAM）编程位和用户内存。CRAM通过连续运行的CRC错误检测电路和集成的ECC自动纠正一到两个错误，并检测更高阶的多位错误，M20K内存块也包含集成的ECC电路。

九、电源管理

利用先进的20nm工艺技术、低0.9V核心电源、增强的核心架构和多种可选的功率降低技术，与Arria V设备相比，总功耗降低了40%，与Stratix V设备相比，总功耗降低了60%。可选的功率降低技术包括SmartVID、可编程功率技术和低静态功率选项。

十、增量编译

英特尔Quartus Prime软件的增量编译功能可减少编译时间，有助于保持性能，便于时序收敛，支持自上而下、自下而上和团队协作的设计流程，提高了设计效率。

英特尔Arria 10器件以其卓越的性能、低功耗、丰富的功能和灵活的配置选项，为电子工程师提供了一个强大的设计平台。无论是在通信、计算、存储还是其他领域，Arria 10都能满足不同的应用需求，帮助工程师实现创新的设计。你在使用FPGA或SoC进行设计时，是否也遇到过类似的挑战呢？你认为Arria 10器件能够解决这些问题吗？欢迎在评论区分享你的看法。