ПЛИС фирмы Gowin Semiconductor: номенклатура, характеристики, разработка приложений

Автор: Павел Редькин

Материал опубликован в журнале СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА № 4/2023

Предлагаемая статья содержит сведения справочно-информационного характера по программируемым логическим интегральным схемам (ПЛИС), производимым китайской фирмой GOWIN Semiconductor Corp. Помимо обзора всей номенклатуры ПЛИС GOWIN с указанием основных характеристик и особенностей каждого их семейства, в статье содержится информация о базовых характеристиках и параметрах каждой серии ПЛИС внутри этих семейств и каждой линейки ПЛИС внутри этих серий, представленная в табличной форме. Статья предназначена для разработчиков электронной аппаратуры на ПЛИС и студентов специальностей, связанных с цифровой электроникой.

Часть 1. Номенклатура производимых устройств

Введение

В настоящее время в мире насчитывается около десятка крупнейших производителей программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), крупнейшие из которых: Xilinx, Intel (Altera), Lattice Semiconductor, Actel, Atmel. Наряду с перечисленными «китами» программируемой логики, разработкой и производством ПЛИС успешно занимается сравнительно молодая китайская компания GOWIN.

Основанная в 2014 году корпорация GOWIN Semiconductor Corp [1] со штаб-квартирой в Китае, отделениями в Корее, США и Тайване осуществляет разработку и производство ПЛИС на своих производственных площадях. Номенклатура производимой компанией продукции включает широкий ассортимент, состоящий из нескольких семейств программируемых логических устройств, инструментального программного обеспечения для проектирования электронной аппаратуры на базе своих ПЛИС, ядер интеллектуальной собственности (IP-ядер), эталонных образцов и наборов для разработки. Корпорация GOWIN декларирует своё стремление обслуживать клиентов на потребительском, промышленном, коммуникационном, медицинском и автомобильном рынках по всему миру.

Важной особенностью продукции GOWIN является её низкая стоимость – ПЛИС от GOWIN в разы дешевле аналогичных по параметрам устройств от других вышеперечисленных производителей.
В настоящее время вся продукция ПЛИС от GOWIN представлена тремя семействами: LittleBee, Arora и Arora V. Каждое из семейств включает несколько серий ПЛИС, как показано в табл. 1.

Таблица 1. Номенклатура производимых ПЛИС GOWIN с разбивкой по семействам и сериям

Каждая из серий ПЛИС в каждом семействе включает линейку из одного или более устройств. В рамках первой части предлагаемой статьи приведена краткая обобщённая характеристика ПЛИС каждого из семейств. Вся информация по всем доступным устройствам, включая руководства пользователя и рекомендации по применению каждой серии ПЛИС GOWIN, представлена для бесплатной загрузки на сайте www.gowinsemi.com. Для доступа к ней необходимо зарегистрироваться на указанном сайте.

Семейство ПЛИС LittleBee

Семейство продуктов GOWIN LittleBee предлагает энергонезависимые ПЛИС типа FPGA с логической матрицей на основе Flash-памяти, с малым количеством логических ресурсов (до 9K ячеек LUT4), с малым и средним количеством пользовательских линий ввода-вывода (I/O) (от 25 до 276), несколькими поддерживаемыми интерфейсами, реализованными в ПЛИС в виде аппаратных ядер (MIPI CSI-2, MIPI DSI, LVDS, USB 2.0, Ethernet, HDMI, MIPI I3C), встроенной оперативной памятью, дополнительной пользовательской Flash-памятью, встроенными модулями аппаратных умножителей, цифровых сигнальных процессоров (DSP), модулями PLL, защитой логической матрицы от считывания.
В семействе также имеются устройства, оптимизированные для приложений с низким энергопотреблением.

Часть устройств из семейства LittleBee имеют встроенные аппаратные процессорные ядра ARM Cortex-M, Synopsys ARC, а также так называемые ядра защиты Security Core и аппаратные ядра Bluetooth LE, то есть являются не «чистыми» ПЛИС, а так называемыми системами на кристалле (SoC), объединяющими в своём составе программируемую логику и процессорное ядро, выполняющее пользовательскую программу из встроенной памяти. Процессорное ядро и программируемая логика могут взаимодействовать как друг с другом, так и с внешними устройствами через набор внутренних шин, внешних интерфейсов и через линии GPIO.

Доступная в настоящее время номенклатура серий семейства GOWIN LittleBee представлена в табл. 2–8. Данные взяты с сайта GOWIN Semiconductor Corp [1].

Таблица 2. ПЛИС GOWIN серии GW1N

Таблица 3. ПЛИС GOWIN серии GW1NR

Таблица 4. ПЛИС GOWIN серии GW1NS

Таблица 5. ПЛИС GOWIN серии GW1NSE

Таблица 6. ПЛИС GOWIN серии GW1NRF

Таблица 7. ПЛИС GOWIN серии GW1NZ

Таблица 8. ПЛИС GOWIN серии GW1NSR

Типичные характеристики ПЛИС семейства LittleBee следующие:

техпроцесс по нормам 55 нм;
исполнение в широкой линейке малогабаритных корпусов (около сорока типоразмеров): от CS30 размерами 2,3×2,4 мм до LQ176 размерами 20×20 мм;
встроенная Flash-память, используемая в устройстве в качестве памяти хранения конфигурации, а также в качестве пользовательской памяти;
гибкая система программирования, позволяющая использовать для программирования (загрузки конфигурации) следующие режимы и интерфейсы: JTAG, MSPI, SSPI, I2C (ведомый), CPU, SERIAL, AUTOBOT, DUALBOOT;
поддержка интерфейсов в виде аппаратных ядер MIPI CSI-2, MIPI DSI, LVDS, HDMI, USB 2.0, Ethernet, MIPI I3C;
наличие встроенной защиты, позволяющей осуществить шифрование битового потока конфигурации и защиты конфигурации от чтения;
наличие интегрированной памяти PSRAM;
наличие аппаратных процессорных ядер ARM Cortex-M3 или Synopsys ARC;
наличие аппаратного малопотребляющего приёмопередатчика Bluetooth;
поддержка защиты асинхронных приложений на основе PUF;
наличие встроенного генератора синхросигнала OSC;
рабочий температурный диапазон от 0 до +85ºC (коммерческое исполнение), от –40 до +100ºC (промышленное исполнение);
наличие сертификации AEC-100Q для автомобильных приложений.

Типичные характеристики встроенной блочной памяти BSRAM ПЛИС GOWIN серии GW1N семейства LittleBee [2]:

максимальное значение частоты синхросигнала 190 МГц;
организация данных от 1 до 36 разрядов;
поддерживаемые BSRAM операционные режимы: однопортовое ОЗУ (SinglePort), двухпортовое ОЗУ (DualPort), полудвухпортовое ОЗУ (SemiDualPort), ПЗУ (ROM);
поддержка бита паритета;
поддержка функции коррекции ошибок.

Типичные характеристики встроенной пользовательской Flash-памяти ПЛИС GOWIN серии GW1N семейства LittleBee [2]:

10 000 циклов записи-стирания;
время хранения данных при температуре +85ºC – 10 лет;
32-разрядная организация данных (слово);
время записи слова данных ≤ 16 мкс;
время стирания страницы данных (64 слова) ≤ 120 мс;
максимальное значение частоты синхросигнала 40 МГц.

Типичные характеристики встроенного модуля DSP ПЛИС GOWIN серии GW1N семейства LittleBee [2]:

поддержка аппаратного умножения в режимах 8×8, 18×18, 36×36;
54-разрядный аккумулятор;
возможность каскадирования умножителей;
встроенные конвейерные регистры и обходные регистры;
адаптивная фильтрация с помощью обратной связи по сигналу;
встроенный переключатель потока.

Все линии ввода-вывода общего назначения (GPIO) внутри ПЛИС серии GW1N семейства LittleBee жёстко относятся к банку ввода-вывода с одним из внутренних опорных напряжений: +3,3 В, +2,5 В, +1,8 В. Таким образом, возможно подключение к ПЛИС различных внешних устройств с рабочими логическими уровнями, поддерживаемыми соответствующим банком IOПЛИС. В качестве максимального тока нагрузки для каждого выхода GPIO ПЛИС может быть задано одно из значений: 4 мА, 8 мА, 16 мА, 24 мА. Линии GPIO ПЛИС поддерживают следующие стандарты ввода-вывода: LVCMOS33/25/18/15/12; LVTTL33, SSTL33/25/18 I, SSTL33/25/18 II, SSTL15; HSTL18 I, HSTL18 II, HSTL15 I; PCI, LVDS25, RSDS, LVDS25E, BLVDSEMLVDSE, LVPECLE, RSDSE. Для каждой линии GPIO в ПЛИС могут быть включены внутренние резисторы подтяжки к питанию, к общему проводу и режим открытого коллектора.

Помимо входов синхросигнала PCLK, используемых в ПЛИС семейства LittleBee в качестве источников глобального синхросигнала (GCLK), в ПЛИС также имеются входы высокоскоростного синхросигнала HCLK с меньшими по сравнению с PCLK внутренними задержками распространения, предназначенные для синхронизации критичных к задержкам узлов и интерфейсов ПЛИС.

Типичные значения внутренних задержек ПЛИС GOWIN серии GW1N приведены в табл. 9 [2].

Таблица 9. Типичные значения внутренних задержек ПЛИС GOWIN серии GW1N семейства LittleBee

Типичные значения задержек BSRAM ПЛИС GOWIN серии GW1N приведены в табл. 10 [2].

Таблица 10. Типичные значения задержек BSRAM ПЛИС GOWIN серии GW1N семейства LittleBee

Типичные значения задержек синхросигналов и сигналов в линиях I/O ПЛИС GOWIN серии GW1N приведены в табл. 11а [2]. Для сравнения в табл. 11б приведены типичные значения задержек синхросигналов и сигналов в линиях I/O ПЛИС Intel (Altera) популярной серии MAX 10 [3].

Таблица 11а. Типичные значения задержек синхросигналов и сигналов в линиях IO ПЛИС GOWIN серии GW1N семейства LittleBee

Таблица 11б. Типичные значения задержек синхросигналов и сигналов в линиях IO ПЛИС Intel (Altera) семейства MAX10

Типичные значения параметров PLL ПЛИС GOWIN серии GW1N приведены в табл. 12 [2].

Таблица 12. Типичные значения параметров PLL ПЛИС GOWIN серии GW1N семейства LittleBee

Как можно видеть из вышеприведенной информации, ПЛИС семейства LittleBee по своим ресурсам подходят для разработки приложений малой и средней сложности.

Семейство ПЛИС Arora

Семейство продуктов GOWIN Arora предлагает энергонезависимые ПЛИС типа FPGA с логической матрицей на основе SRAM, со средним количеством логических ресурсов (до 55K ячеек LUT4), со средним и большим количеством пользовательских линий I/O (от 66 до 608), несколькими поддерживаемыми интерфейсами, реализованными в виде аппаратных ядер (MIPI CSI-2, MIPI DSI, LVDS, HDMI, USB 2.0, PCI, Ethernet, DDR3, HyperRAM, PSRAM), встроенной оперативной памятью, встроенными модулями аппаратных умножителей, встроенными DSP и PLL, встроенной дополнительной пользовательской Flash-памятью.

Доступная в настоящее время номенклатура серий семейства GOWIN Arora представлена в табл. 13–17. Данные взяты с сайта GOWIN Semiconductor Corp [1].

Таблица 13. ПЛИС GOWIN серии GW2A

Таблица 14. ПЛИС GOWIN серии GW2AN

Таблица 15. ПЛИС GOWIN серии GW2AR

Таблица 16. ПЛИС GOWIN серии GW2ANR

Таблица 17. ПЛИС GOWIN серии GW2A-A

Типичные характеристики ПЛИС семейства Arora следующие:

техпроцесс по нормам 55 нм;
исполнение в широкой линейке (около двадцати типоразмеров) корпусов: от QFN88 размерами 10×10 мм до PG1156 размерами 35×35 мм;
встроенная Flash-память, используемая в устройстве в качестве пользовательской памяти;
гибкая система программирования, позволяющая использовать для программирования (загрузки конфигурации) следующие режимы и интерфейсы: JTAG, MSPI, SSPI, SERIAL, CPU;
поддержка программирования памяти SPI Flash, реализованной в виде IP-ядра, через интерфейсы JTAG и SSPI;
поддержка включаемой специальным битом защиты шифрованием файла конфигурации;
поддержка интерфейсов в виде аппаратных ядер MIPI CSI-2, MIPI DSI, LVDS, HDMI, USB 2.0, PCI, Ethernet, DDR3, HyperRAM, PSRAM;
рабочий температурный диапазон от 0 до +85ºC (коммерческое исполнение), от –40 до +100ºC (промышленное исполнение).

В семействе GOWIN Arora одна и та же ПЛИС может иметь различные значения напряжения питания ядра, на что указывает суффикс в обозначении ПЛИС: ультранизковольтное устройство (LV), низковольтное устройство (EV), обычное устройство (UV).

Типичные характеристики встроенной блочной памяти BSRAM ПЛИС GOWIN серии GW2A семейства Arora [4]:

максимальное значение частоты синхросигнала 380 МГц;
организация данных от 1 до 36 разрядов;
поддерживаемые операционные режимы: однопортовое ОЗУ (SinglePort), двухпортовое ОЗУ (DualPort), полудвухпортовое ОЗУ (SemiDualPort), ПЗУ (ROM);
поддержка бита паритета;
поддержка функции коррекции ошибок.

Все линии ввода-вывода общего назначения (GPIO) внутри ПЛИС серии GW2A семейства Arora жёстко относятся к банку ввода-вывода I/O с одним из внутренних опорных напряжений: +3,3 В, +2,5 В, +1,8 В, +1,5 В, +1,2 В. Таким образом, возможно подключение к ПЛИС различных внешних устройств с рабочими логическими уровнями, поддерживаемыми соответствующим банком GPIO ПЛИС. В качестве максимального тока нагрузки для выхода GPIO ПЛИС может быть задано одно из значений: 4 мА, 8 мА, 16 мА, 24 мА. Линии GPIO ПЛИС поддерживают следующие стандарты ввода-вывода: LVCMOS33/25/18/15/12; LVTTL33, SSTL33/25/18 I, II, SSTL15HSTL18 I, II, HSTL15 I; PCI, LVDS25, RSDS, LVDS25E, BLVDSE, MLVDSE, LVPECLE, RSDSE. Для каждой линии GPIO в ПЛИС могут быть включены внутренние резисторы подтяжки к питанию, к общему проводу и режим открытого коллектора.

Помимо входов синхросигнала PCLK, используемых в ПЛИС семейства Arora в качестве источников глобального синхросигнала (GCLK), в ПЛИС также имеются входы высокоскоростного синхросигнала HCLK с меньшими по сравнению с PCLK внутренними задержками распространения, предназначенные для синхронизации критичных к задержкам узлов и интерфейсов ПЛИС.

Типичные значения внутренних задержек ПЛИС GOWIN серии GW2A приведены в табл. 18 [4].

Таблица 18. Типичные значения внутренних задержек ПЛИС GOWIN серии GW2A семейства Arora

Типичные значения задержек BSRAM ПЛИС GOWIN серии GW2A приведены в табл. 19 [4].

Таблица 19. Типичные значения задержек BSRAM ПЛИС GOWIN серии GW2A семейства Arora

Типичные значения задержек синхросигналов и сигналов в линиях I/O ПЛИС GOWIN серии GW2A приведены в табл. 20 [4].

Таблица 20. Типичные значения задержек синхросигналов и сигналов в линиях IO ПЛИС GOWIN серии GW2A семейства Arora

Типичные значения параметров PLL ПЛИС GOWIN серии GW2A приведены в табл. 21 [4].

Таблица 21. Типичные значения параметров PLL ПЛИС GOWIN серии GW2A семейства Arora

Как можно видеть из вышеприведенной информации, ПЛИС семейства Arora по своим ресурсам подходят для разработки приложений средней сложности.

Семейство ПЛИС Arora V

Семейство продуктов GOWIN Arora V предлагает энергонезависимые ПЛИС типа FPGA с логической матрицей на основе SRAM, с большим количеством логических ресурсов (до 138K ячеек LUT4), с большим количеством пользовательских линий I/O (от 236 до 376), несколькими поддерживаемыми высокоскоростными интерфейсами, реализованными в виде аппаратных IP-ядер (MIPI CSI-2, MIPI DSI, LVDS, HDMI, USB 2.0, PCI, Ethernet, DDR3, HyperRAM, PSRAM), встроенной оперативной памятью, встроенными модулями аппаратных умножителей, встроенными DSP и PLL, встроенными модулями АЦП.

Доступная в настоящее время номенклатура серий семейства GOWIN AroraV представлена в табл. 22, 23. Данные взяты с сайта GOWIN Semiconductor Corp [1].

Таблица 22. ПЛИС GOWIN серии GW5A

Таблица 23. ПЛИС GOWIN серии GW5AT

Типичные характеристики ПЛИС семейства Arora V следующие:

исполнение в корпусе FPG676A размерами 27×27 мм;
гибкая система программирования, позволяющая использовать для программирования интерфейсы JTAG, MSPI, SSPI, CPU, SERIAL;
поддержка одновременно нескольких источников загрузки конфигурации;
поддержка высокоскоростных интерфейсов в виде аппаратных IP-ядер: MIPICSI-2, MIPIDSI, LVDS, HDMI, USB 2.0, PCI, Ethernet, DDR3, HyperRAM, PSRAM;
рабочий температурный диапазон от 0 до +85ºC (коммерческое исполнение), –40 до +100ºC (промышленное исполнение) до –40 до +105ºC (автомобильное исполнение).

Типичные характеристики встроенной блочной памяти BSRAM ПЛИС GOWIN серии GW5A семейства Arora V [5]:

максимальное значение частоты синхросигнала 380 МГц;
организация данных до 76 разрядов;
поддерживаемые операционные режимы: однопортовое ОЗУ (SinglePort), двухпортовое ОЗУ (DualPort), полудвухпортовое ОЗУ (SemiDualPort), ПЗУ (ROM);
поддержка бита паритета;
поддержка функции коррекции ошибок.

Все линии ввода-вывода общего назначения (GPIO) внутри ПЛИС серии GW5A семейства Arora V могут относиться к банку ввода-вывода I/O с одним из внутренних опорных напряжений: +3,3 В, +2,5 В, +1,8 В, +1,5 В, +1,35 В, +1,2 В, +1 В. Таким образом, возможно подключение к ПЛИС различных внешних устройств с рабочими логическими уровнями, поддерживаемыми соответствующим банком GPIO ПЛИС. В качестве максимального тока нагрузки для выхода GPIO ПЛИС может быть задано одно из значений: 4 мА, 8 мА, 12 мА, 16 мА, 24 мА.

Линии GPIO ПЛИС поддерживают следующие стандарты ввода-вывода: LVCMOS, PCI, LVTTL, SSTL, HSTL, LVDS, Mini_LVDS, RSDS, PPDS, BLVDS. Для каждой линии GPIO в ПЛИС могут быть включены внутренние резисторы подтяжки к питанию, к общему проводу и режим открытого коллектора. Логика линий GPIO ПЛИС может функционировать в базовом режиме, режиме SDR, режиме DDR.

Помимо многочисленных входов синхросигнала PCLK (32 входа), используемых в ПЛИС семейства Arora V в качестве источников глобального синхросигнала (GCLK), в ПЛИС также имеются многочисленные входы высокоскоростного синхросигнала HCLK (от 16 до 24 входов) с меньшими по сравнению с PCLK внутренними задержками распространения, предназначенные для синхронизации критичных к задержкам узлов и интерфейсов ПЛИС.

Типичные характеристики встроенного модуля DSP ПЛИС GOWIN серии GW5A семейства Arora V [5]:

поддержка аппаратного умножения в режимах 12×12, 27×36, 27×18;
48-разрядный аккумулятор;
возможность каскадирования DSP;
встроенные конвейерные регистры и обходные регистры;
предварительные операции сложения в функциях фильтрации;
встроенная петля обратной связи и переключатель потока.

Типичные характеристики встроенного высокоскоростного интерфейса SERDES ПЛИС GOWIN GW5A (GW5AT-138) семейства Arora V[5]:

операции со скоростями 270 Мбит/с … 12,5 Гбит/с;
извлечение синхросигнала из данных (CDR);
выделенные каналы RX и TX;
интегрированный 8/10-разрядный кодер/декодер;
аппаратное ядро PCIe2.0 с количеством полос: x1, x2, x4, x8.

Типичные характеристики встроенного аппаратного ядра MIPID-PHYRX ПЛИС GOWIN серии GW5A (GW5AT-138) семейства Arora V [5]:

скорость до 20 Гбит/с D-PHYRX аппаратного PHY;
8 полос данных + 2 полосы синхросигнала;
скорость до 2,5 Гбит/с на полосу;
IP-ядра уровня связи MIPI DSI и MIPI CSI-2 RX.

Типичные характеристики встроенного аппаратного ядра MIPI D-PHY RX/TX ПЛИС GOWIN серии GW5A (GW5AT-25) семейства Arora V [5]:

4 полосы данных + 1 полоса синхросигнала;
скорость до 2,5 Гбит/с на полосу (RX/TX);
IP-ядра уровня связи MIPI DSI и MIPI CSI-2 RX.

Типичные характеристики интерфейса внешней памяти DRAM ПЛИС GOWIN серии GW5A семейства Arora V [5]:

поддержка различных типов памяти: DDR2, DDR3, PSRAM, HyperRAM,
RPC;
скорость обмена 1333 Мбит/с (GW5A(T)-138) или 1066 Мбит/с (GW5A-25).

Типичные характеристики встроенного модуля АЦП ПЛИС GOWIN серии GW5A семейства Arora V [5]:

отношение сигнал/шум 60 дБ;
полоса пропускания сигналов 1 кГц;
гибкая архитектура входов с Х-канальной передискретизацией;
не требуется внешний источник опорного напряжения.

Типичные значения внутренних задержек ПЛИС GOWIN серии GW5A на момент выхода этой статьи производитель не представил.

Типичные значения задержек BSRAM ПЛИС GOWIN серии GW5A на момент выхода этой статьи производитель не представил.

Типичные значения задержек синхросигналов и сигналов в линиях I/O ПЛИС GOWIN серии GW5A на момент выхода этой статьи производитель не представил.

Типичные значения параметров PLL ПЛИС GOWIN серии GW5A на момент выхода этой статьи производитель не представил.

Как можно видеть из вышеприведенной информации, ПЛИС семейства Arora V по своим ресурсам подходят для разработки приложений большой сложности.

Литература

URL: https://www.gowinsemi.com.
GW1N series of FPGA Products Data Sheet.DS100-2.9E, 09/29/2022.
Intel MAX 10 FPGA Device Datasheet. M10-DATASHEET. 2017.06.16.
GW2A series of FPGA Products Data Sheet.DS102-2.4E, 09/15/2022.
Arora V series of FPGA Products Data Sheet. DS981-1.0E, 09/26/2022.