Układ scalony układ scalony Element elektroniczny XC5VLX110-1FFG1153C FPGA Virtex-5

Cechy produktu

Zgłoś błąd w informacjach o produkcie

Zobacz podobne

Dokumenty i multimedia

Klasyfikacje środowiskowe i eksportowe

Programowalna przez użytkownika matryca bramek

Aprogramowalny przez użytkownika układ bramek(FPGA) jestukład scalonyzaprojektowany do konfiguracji przez klienta lub projektanta po wyprodukowaniu – stąd to określenieprogramowalny w terenie.Konfiguracja FPGA jest ogólnie określana przy użyciu ajęzyk opisu sprzętu(HDL), podobny do tego stosowanego w przypadku anukład scalony dostosowany do konkretnego zastosowania(ASIC).Schematy obwodówbyły wcześniej używane do określenia konfiguracji, ale jest to coraz rzadsze ze względu na pojawienie sięautomatyzacja projektowania elektronikinarzędzia.

Układy FPGA zawierają tablicęprogramowalny bloki logiczneoraz hierarchię rekonfigurowalnych połączeń wzajemnych, umożliwiającą łączenie bloków ze sobą.Bloki logiczne można skonfigurować tak, aby wykonywały złożone operacjefunkcje kombinacyjnelub postępuj tak prostobramki logicznetak jakIIXOR.W większości układów FPGA bloki logiczne obejmują równieżelementy pamięci, co może być prosteklapkilub bardziej kompletne bloki pamięci.^[1]Wiele układów FPGA można przeprogramować w celu wdrożenia różnychfunkcje logiczne, pozwalając na elastycznośćrekonfigurowalne przetwarzanie danychjak wykonano wOprogramowanie komputerowe.

Układy FPGA odgrywają niezwykłą rolę wWbudowany systemrozwoju oprogramowania ze względu na możliwość rozpoczęcia tworzenia oprogramowania systemowego jednocześnie ze sprzętem, umożliwienia symulacji wydajności systemu na bardzo wczesnej fazie rozwoju oraz umożliwienia różnych prób systemu i iteracji projektowych przed sfinalizowaniem architektury systemu.^[2]

Historia[edytować]

Z tego wywodzi się przemysł FPGAprogramowalna pamięć tylko do odczytu(PROM) iprogramowalne urządzenia logiczne(PLD).Zarówno PROM, jak i PLD miały możliwość programowania partiami w fabryce lub w terenie (programowanie w terenie).^[3]

Alterazostała założona w 1983 r. i dostarczyła w 1984 r. pierwsze w branży przeprogramowalne urządzenie logiczne – EP300 – które zawierało kwarcowe okienko w opakowaniu, które umożliwiało użytkownikom świecenie lampą ultrafioletową na matrycę w celu usunięciaEPROMkomórki przechowujące konfigurację urządzenia.^[4]

Xilinxwyprodukował pierwszy komercyjnie opłacalny programowalny w terenieukład bramkowyw 1985 r^[3]– XC2064.^[5]XC2064 miał programowalne bramki i programowalne interkonekty pomiędzy bramkami, co było początkiem nowej technologii i rynku.^[6]XC2064 miał 64 konfigurowalne bloki logiczne (CLB), z dwoma trzema wejściamiTabele wyszukiwania(LUT).^[7]

W 1987 rCentrum Wojny Nawodnej Marynarki Wojennejsfinansował eksperyment zaproponowany przez Steve'a Casselmana mający na celu opracowanie komputera, który implementowałby 600 000 reprogramowalnych bramek.Casselman odniósł sukces i w 1992 roku wydano patent na system.^[3]

Altera i Xilinx działały niekwestionowane i szybko się rozwijały od 1985 r. do połowy lat 90. XX w., kiedy to pojawili się konkurenci, zmniejszając znaczną część ich udziału w rynku.Do 1993 roku Actel (obecnieMikrosemi) obsługiwał około 18 procent rynku.^[6]

Lata 90. były okresem szybkiego rozwoju układów FPGA, zarówno pod względem stopnia zaawansowania obwodów, jak i wielkości produkcji.Na początku lat 90-tych układy FPGA były stosowane głównie wtelekomunikacjaIsieciowanie.Pod koniec dekady układy FPGA znalazły zastosowanie w zastosowaniach konsumenckich, motoryzacyjnych i przemysłowych.^[8]

Do 2013 roku Altera (31 procent), Actel (10 procent) i Xilinx (36 procent) reprezentowały łącznie około 77 procent rynku FPGA.^[9]

Firmy takie jak Microsoft zaczęły używać układów FPGA do przyspieszania wysokowydajnych systemów wymagających intensywnych obliczeń (takich jakcentra danychktóre obsługują ichWyszukiwarka Bing), z powoduwydajność na watzalety, jakie zapewniają układy FPGA.^[10]Microsoft zaczął używać układów FPGA doprzyśpieszyćBing w 2014 r. i w 2018 r. rozpoczęli wdrażanie układów FPGA w innych obciążeniach centrów danych na potrzeby swoichLazur Chmura obliczeniowaplatforma.^[11]

Poniższe ramy czasowe wskazują postęp w różnych aspektach projektowania FPGA:

Bramy

• 1987: 9 000 bram, Xilinx^[6]
• 1992: 600 000, Departament Wojny Nawodnej Marynarki Wojennej^[3]
• Początek XXI wieku: miliony^[8]
• 2013: 50 milionów, Xilinx^[12]

Wielkość rynku

• 1985: Pierwszy komercyjny układ FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 milionów dolarów^[6]
• C.1993: >385 milionów dolarów^{[6][nieudana weryfikacja]}
• 2005: 1,9 miliarda dolarów^[13]
• Szacunki za rok 2010: 2,75 miliarda dolarów^[13]
• 2013: 5,4 miliarda dolarów^[14]
• Szacunki na rok 2020: 9,8 miliarda dolarów^[14]

Rozpoczyna się projektowanie

Arozpoczęcie projektowaniato nowy, niestandardowy projekt do wdrożenia na FPGA.

• 2005: 80 000^[15]
• 2008: 90 000^[16]

Projekt[edytować]

Współczesne układy FPGA dysponują dużymi zasobamibramki logicznei bloki RAM do realizacji złożonych obliczeń cyfrowych.Ponieważ konstrukcje FPGA wykorzystują bardzo duże szybkości we/wy i dane dwukierunkoweautobusywyzwaniem staje się zweryfikowanie prawidłowego taktowania ważnych danych w czasie konfiguracji i czasie przetrzymywania.

Planowanie pięterumożliwia alokację zasobów w układach FPGA w celu spełnienia tych ograniczeń czasowych.Układy FPGA można wykorzystać do implementacji dowolnej funkcji logicznej, jaką może zapewnić npASICmoże wykonywać.Możliwość aktualizacji funkcjonalności po wysyłce,częściowa rekonfiguracjaczęści projektu^[17]oraz niskie, jednorazowe koszty inżynieryjne w porównaniu z konstrukcją ASIC (pomimo ogólnie wyższego kosztu jednostkowego), oferują korzyści w wielu zastosowaniach.^[1]

Niektóre układy FPGA oprócz funkcji cyfrowych mają funkcje analogowe.Najbardziej powszechną funkcją analogową jest funkcja programowalnaszybkość narastaniana każdym pinie wyjściowym, umożliwiając inżynierowi ustawienie niskich szybkości na lekko obciążonych pinach, co w przeciwnym razie byłoby możliwepierścieńLubparaniedopuszczalnie oraz do ustawiania wyższych szybkości na mocno obciążonych pinach w szybkich kanałach, które w przeciwnym razie działałyby zbyt wolno.^[18][19]Powszechne są również kwarceoscylatory kryształowe, wbudowane oscylatory rezystancji i pojemności orazpętle synchronizacji fazowejz wbudowanymOscylatory sterowane napięciemużywany do generowania zegara i zarządzania nim, a także do szybkiego serializatora-deserializatora (SERDES) taktowania transmisji i odzyskiwania zegara odbiornika.Dość powszechne są mechanizmy różnicowekomparatoryna pinach wejściowych przeznaczonych do podłączeniasygnalizacja różnicowakanały.Kilka "sygnał mieszanyUkłady FPGA” mają zintegrowane urządzenia peryferyjneprzetworniki analogowo-cyfrowe(ADC) iprzetworniki cyfrowo-analogowe(DAC) z blokami kondycjonowania sygnału analogowego, pozwalającymi na pracę jako przetworniki Asystem na chipie(SoC).^[20]Takie urządzenia zacierają granicę pomiędzy układem FPGA, który przenosi cyfrowe jedynki i zera w swojej wewnętrznej programowalnej strukturze połączeń, aprogramowalny przez użytkownika układ analogowy(FPAA), który przenosi wartości analogowe w swojej wewnętrznej programowalnej strukturze połączeń.