FPGA

Altera Stratix IV GX FPGA

Пример Xilinx Spartan 6 FPGA програмибилно/евалуационог кола

FPGA (енгл. Field-Programmable Gate Array) представља интегрисано коло пројектовано тако да се његова унутрашња структура може конфигурисати од стране крајњег корисника. Дефинисање унутрашње структуре FPGA компоненте се врши уз помоћ HDL (енгл. Hardware Description Language) језика или шематских дијаграма.

Свака FPGA компонента се састоји од великог броја идентичних логичких блокова (ћелија), реконфигурабилних веза које омогућавају блоковима да буду међусобно повезани и улазно/излазног блока. Сваки логички блок се састоји од логичких ћелија. Логички блокови могу се конфигурисати тако да изводе сложене комбинаторне функције или једноставна логичка кола попут I кола и ЕКСИЛИ кола. Логички блокови такође могу укључивати и меморијске елементе, који могу бити једноставни флип-флопови или неки комплекснији меморијски елементи.

Технички дизајн

Xilinx Spartan FPGA

Савремене FPGA компоненте у себи садрже велики број логичких кола и РАМ блокова за имплементацију комплексних дигиталних израчунавања. FPGA компоненте се могу користити за имплементацију било које логичке функције коју интегрисано коло специфичне намене може да изведе. Могућност ажурирања функционалности након испоруке, делимична реконфигурација дела дизајна и мали неповратни трошкови израде компоненте у односу на дизајн интегрисаног кола специфичне намене (без обзира на генерално већу појединачну цену), чине предност за многе примене.

Неке FPGA компоненте поред дигиталних функција имају и аналогне функције. Најчешћа аналогна функција је програмабилна брзина одзива на сваком излазном пину, омогућавајући инжењеру да подеси ниске прагове за слабо оптерећене пинове и да поставе више норме на оптерећеније пинове на брзим каналима који би иначе радили јако споро. Такође, чести су кварцни кристални осцилатори, осцилатори који се састоје од отпорника и кондензатора, фазно затворена петља са уграђеним напонским осцилаторима који се користе за генерисање и управљање часовником. Прилично су чести и диференцијални компаратори на улазним пиновима који су дизајнирани за повезивање са диференцијалним сигналним каналима.Неке врсте FPGA компоненти у себи имају интегрисане периферне конверторе, аналогно дигитални конвертор, који конвертује аналогне функције у дигиталне и дигитално аналогни конвертор, који ради обрнуто, са блоковима који им омогућавају да функционишу као систем на чипу. Овакви уређаји бришу линију између ФПГА компоненти које садрже јединице и нуле и ФПАА (енгл. Field-programmable analog array) који садржи аналогне вредности.

Историја

Производња FPGA компоненти је произишла из програмабилне меморије за читање (ПРОМ) и програмабилних логичких уређаја (PLD). Оба су имала могућност програмирања у фабрици или на терену. Међутим, програмабилна логика је била директно повезана са логичким колима.

У касним осамдесетим, NSWC (енгл. Naval Surface Warfare Center) је финансирао експеримент који је предложио Steve Casselman да развије рачунар који би имплементирао 600000 репрограмабилних кола. Овај експеримент је успео и патент је лансиран 1992. године.

Неки од индустријских фундаменталних концепата и технологија за програмабилна логичка поља, функције и блокове се могу наћи у патентима које су пронашли David W. Page и LuVerne R. Peterson 1985. године.

Altera је основана 1983. године и испоручила је први индустријски репрограмабилан логички уређај 1984. године. То је био EP300 који је имао кварцни прозор у пакету који је омогућавао корисницима да укључе ултраљубичасту лампу која би избрисала ЕПРОМ ћелије у којима је смештена конфигурација.

Оснивачи компаније Xilinx, Ross Freeman и Bernard Vonderschmitt су направили прву комерцијалну FPGA компоненту 1985. године, XC2064. Она је имала програмабилна логичка кола, програмабилне везе између логичких кола. Ово је био почетак нове технологије. Такође, XC2064 компонента је имала конфигурабилне логичке блокове са две или три улазне лукап табеле. Након више од 20 година отада, Freeman је ушао у NIHF (енгл. National Inventors Hall of Fame) за свој проналазак.

Компаније Altera и Xilinx су несметано и брзо расле од 1985. године до средине деведесетих, када су се конкурентске фирме развиле, што је довело до значајне поделе тржишта. До 1993. године, компанија Actel (сада Microsemi) је снабдевала око 18 процената тржишта, а до 2010. године, компаније Altera (31 проценат), Actel (10 процената) и Xilinx (36 процената) су заједно снабдевале 77 процената тржишта FPGA компоненти.

Деведесете су биле експлозиван период за FPGA компоненте, како због софистицираности, тако и због обима производње. Раних деведесетих примарно су се користиле у телекомуникацији и умрежавању. До краја деценије, FPGA компоненте су прошле свој пут у потрошачку, аутомобилску и индустријску примену.

Развој у 21. веку

Недавни тренд је био да груби архитектонски приступ направи још корак даље комбиновањем логичких блокова и веза традиционалних FPGA компоненти са уграђеним микропроцесорима и сродним периферијама како би се формирао потпуни "систем на програмабилном чипу". Ова архитектура одражава архитектуру коју су створили Ron Perlof и Hana Potash из Burroughs Advanced Sistems Group 1982. године, која је комбиновала реконфигурабабилну CPU архитектуру на једном чипу званом SB24. Примери таквих хибридних технологија могу се наћи у KSC-Zink-7000 All Programmable SoC-у, који укључује АРМ Cortex-A9 MPCore процесор са два језгра брзине 1.0 GHz спојен са логичком структуром FPGA компоненте или са Altera Arria V FPGA, који има АРМ Cortex-A9 MPCore процесор са два језгра брзине 800MHz. Atmel FPSLIC је још један такав уређај који користи AVR процесор у комбинацији са програмабилном логичком архитектуром Atmela. Уређаји Microsemi SmartFusion садрже АРМ Cortex-M3 процесорско језгро (са до 512 кБ флеш меморије и 64 кБ РАМ-а) и аналогне периферије као што су вишеканални ADC и DAC-ови за FPGA структуру.

A Xilinx Zynq-7000 All Programmable System on a Chip.

Алтернативни приступ коришћењу хард-макро процесора је коришћење софтверских процесора који се имплементирају у оквиру FPGA логике. Nios II, MicroBlaze и Mico32 су примери популарних софтверских процесора. Многе савремене FPGA компоненте се програмирају у току рада и то води до идеје о реконфигурабилним рачунарима или реконфигурабилним системима. Поред тога, нове архитектуре, различите од архитектуре ФПГА компоненти, почињу да се појављују. Микропроцесори који се конфигуришу софтвером, као што је Stretch С5000, усвајају хибридни приступ обезбеђујући низ језгара процесора и FPGA-програмабилних језгара на истом чипу.

Компаније као што је Microsoft почеле су да користе FPGA компоненте за убрзавање система високих перформанси, рачунарско интензивних система (као што су центри за податке који управљају њиховим Бинг претраживачима.

Кола

• 1982. године: 8,192 кола, Burroughs Advances Systems Group, интегрисани у S-Type 24-битнипроцесор за репрограмирање улаза и излаза.
• 1987. године: 9,000 кола, Xilinx
• 1992. године: 600, 000, Naval Surface Warfare Department
• почетак 2000. године: милиони
• 2013. године: 50 милиона, Xilinx

Вредност тржишта

• 1985: прва комерцијална FPGA компонента: Xilinx XC2064
• 1987. године: 14 милиона долара
• ≈1993. године: >385 милиона долара
• 2005. године: 1,9 милијарди долара
• 2010. године: 2,75 милијарди долара
• 2013. године: 5,4 милијарди долара
• 2020. године (процена): 9,8 милијарди долара

Поређења

Историјски гледано, FPGA компоненте су спорије, мање енергетски ефикасне и углавном су постигле мање функционалности него интегрисано коло специфичне намене (енгл. Application-Specific Integrated Circuit (ASIC)). Старија студија показала је да дизајн који се имплементира на FPGA компоненти захтева у просеку 40 пута више простора, вуче 12 пута више струје и извршава се три пута брже од одговарајућих ASIC имплементација. Недавно су FPGA компоненте као што су Xilinx Virtex-7 или Altera Stratix 5 могле да се супротставе одговарајућим ASIC и ASSP решењима пружајући значајно смањење потрошње енергије, повећану брзину, ниже трошкове материјала, минималну имплементацију и повећане могућности за поновну конфигурацију приликом рада. На месту где је претходни дизајн можда укључио 6 до 10 ASIC компоненти, исти дизајн се сада може постићи користећи само једну FPGA компоненту.

Предности FPGA компоненте укључују могућност да се поново програмирају након испоруке како би поправили грешке, ниже неповратне трошкове и могу укључити краће време лансирања на тржиште. Произвођачи такође могу да направе компромис тако што развијајусвој хардвер на обичним FPGA уређајима, али производе своју финалну верзију као ASIC, тако да се више не може модификовати након што је дизајн извршен.

Компанија Xilinx тврди да неколико тржишних и технолошких динамика мења парадигму ASIC / FPGA:

• Трошкови развоја интегрисаног кола убрзано расту
• Сложеност ASIC-а је продужила време развоја
• Ресурси за истраживање и развој, као и број запослених се смањује
• Губитак прихода због спорог лансирања на тржиште се повећава
• Финансијска ограничења у лошој економији покрећу јефтине технологије

Ови трендови чине FPGA компоненте бољем алтернативом од ASIC-а за већи број великих апликација.

Неке FPGA компоненте имају могућност делимичне поновне конфигурације која омогућава да се један део уређаја поново програмира док остали делови настављају неометано да раде.

Комплексни програмабилни логички уређаји

Примарне разлике између комплексних програмабилних логичких уређаја (енгл. Complex programmable logic devices (CPLD)) и FPGA компоненти су у архитектури. CPLD има донекле рестриктивну структуру која се састоји од једне или више програмабилних логичких низова који напајају релативно мали број регистарских јединица. Резултат тога је мања флексибилност, уз предност предвиђања временских закашњења. Са друге стране, FPGA архитектуре доминирају у међусобном повезивању. Ово их чини далеко флексибилнијим (у смислу распона дизајна који су практични за имплементацију унутар њих), али и далеко комплексније за дизајн.

У пракси, разлика између FPGA компоненти и CPLD често је величина, јер су FPGA компоненте обично много веће у смислу ресурса него CPLD. Обично само FPGA компоненте садрже сложеније уграђене функције као што су сабирачи, функције множења и меморија. Још једна уобичајена разлика је у томе што CPLD садрже уграђену меморију за чување њихове конфигурације, док ФПГА компоненте обично, али не увек, захтевају спољашњу неовлашћену меморију.

Сигурносна разматрања

Што се тиче сигурности, FPGA компоненте имају и предности и недостатке у поређењу са ASIC колом или сигурним микропроцесорима. Флексибилност FPGA смањује ризик од злонамерних модификација током израде. Раније, за многе FPGA компоненте, дизајниран проток битова је био изложен док га FPGA учитава из спољне меморије (обично на сваком укључивању). Сви главни произвођачи FPGA компоненти сада нуде широк спектар решења за заштиту дизајнерима, као што су bitstream енкрипција и аутентификација. На пример, Altera и Xilinx нуде АЕС (до 256 бита) шифровање за проток битова који се чувају у спољној меморији.

FPGA компоненте који своју конфигурацију чувају интерно у непроменљивој флеш меморији, као што су ProAsic 3 програмабилни уређај, који производи компанија Microsemi или XP2 програмабилни уређај који производи компанија Lattice, не излажу проток битова и није им потребна енкрипција. Кориници који очекују већу сигурност могу да користе Antifuse FPGA који производи Microsemi.

Истраживачи Sergej Skorobogatov и Christopher Woods су 2012. године показали да FPGA компоненте могу бити подложне непријатељској намери. Открили су критичну рањивост која је произведена у силицијуму као део Actel / Microsemi ProAsic 3, чинећи је рањивом на многио нивоа као што су репрограмирање крипто и приступних кључева, приступање нешифрованом протоку података, модификовање силицијумских карактеристика на нижем нивоу и екстракција конфигурационих података.

Примене

FPGA се може користити за решавање било ког проблема који је израчуњив. То доказује чињеница да се FPGA може користити за имплементацију софтверског микропроцесора, као што је Xilinx MicroBlaze или Altera Nios II. Њихова предност лежи у томе што су понекад знатно бржи за неке апликације због њихове паралелне природе и оптималности у погледу броја капија које се користе за одређени процес.

Још један тренд у коришћењу FPGA компоненти је хардверско убрзање, где се може користити FPGA за убрзавање одређених делова алгоритма и поделити израчунавања између FPGA компоненте и генеричког процесора.

Традиционално, FPGA компоненте су резервисане за специфичне вертикалне апликације чији је обим производње мали. Код ових апликација мале количине, цена коју компаније плаћају по јединици за програмабилни чип је приступачнија од развојних ресурса потрошених за креирање ASIC-а за апликацију мале запремине. Данас су нове динамике трошкова и перформанси прошириле опсег одрживих апликација.

Уобичајене примене FPGA компоненти:

• Обрада звука
• Комуникација
• Биоинформатика
• Медицина
• Бежична комуникација
• Обрада слике
• Обрада видеа
• Центри за обраду података
• Индустријска примена
• Наука

Архитектура

Логички блокови

Поједностављен пример логичке ћелије

Најчешће архитектура FPGA компоненте се састоји од низа логичких блокова (назива се логички блок који се може конфигурисати, CLB или блок логике, LAB, зависно од произвођача), делова за улаз и излаз и канала за усмеравање. Генерално, сви канали за усмеравање имају исту ширину (број жица).

Апликационо коло мора бити мапирано у FPGA компоненти са одговарајућим ресурсима. Иако је потребан број CLB / LAB, улаза и излаза лако одредити из дизајна, број потребних стаза рутирања може значајно да варира чак и код дизајна са истом количином логике. Пошто неискоришћене стазе за рутирање повећавају трошкове (и смањују перформансе) израде компоненте без икакве добити, произвођачи FPGA компоненти покушавају да обезбеде таман толико стаза тако да се улази и излази могу рутирати и да стану све лукап табеле. Ово се одређује проценама као што су оне које произилазе из Рентовог правила или експериментима са постојећим дизајном.

Генерално, логички блок (CLB или LAB) се састоји од неколико логичких ћелија (названих ALM, LE итд.). Типична ћелија се састоји од LUT компоненте са 4 улаза, потпуног сабирача (енгл. Full Adder) и D флип-флопа, како је приказано на слици. LUT компоненте су на овој слици подељени на две LUT компоненте са три улаза. У нормалном режиму они се комбинују у LUT компоненту са 4 улаза кроз леви мултиплексер. У аритметичком моду, њихови излази се преносе у потпуни сабирач. Избор режима програмира се у средњем мултиплексеру. Излаз може бити или синхрони или асинхрони, зависно од програмирања мултиплексера десно, на примеру са слике. У пракси, цео или делови потпуног сабирача се стављају као функције у LUT компоненте како би се уштедео простор.

Часовник

Већина кола направљених унутар FPGA компоненте представљају синхрона кола која захтевају сигнал часовника. FPGA компоненте садрже наменске глобалне и регионалне мрежне рутере за часовник и ресетовање. Такође, FPGA компоненте углавном садрже аналогне PLL и / или DLL компоненте за синтетизовање нових фреквенција такта. Кола сложенијег дизајна могу да користе више часовника са различитим фреквенцијским и фазним односима, од којих свака формира засебне домене. Ови тактни сигнали могу се генерисати локално путем осцилатора или се могу добити из серијског тока велике брзине. Потребно је водити рачуна о изградњи кола за прелазак домета часовника како би се избегла метастабилност.

3Д архитектура

Да би смањили величину и потрошњу енергије ФПГА, произвођачи као што су Табула и Ксилинк су представили нове 3Д или сложене архитектуре.

Компанија Xилинx има приступ који стапа неколико (три или четири) активне ФПГА компоненте једну поред друге на силиконском интерпозеру - комад силицијумског чипа који осликава пасивну међусобну повезаност. FPGA компонента изграђена од више оваквих конструкција назива се хетерогена ФПГА компонента.

Дизајн и програмирање

Да би дефинисао понашање FPGA компоненте, корисник обезбеђује дизајн на језику хардвера (HDL) или као шематски дизајн. HDL форма је прикладнија за рад са великим структурама, јер је могуће једноставно прецизирати их нумерички, а не да ручно треба цртати сваки комад. Међутим, шематски приступ може омогућити лакшу визуализацију дизајна.

Затим, помоћу алата за аутоматизацију електронског дизајна, генерише се листа електронских компоненти и чворова с којима су повезани (енгл. Netlist). Netlist може тада бити усклађен са стварном FPGA архитектуром користећи процес који се зове смести-и-повежи (енгл. place-and-route), који се обично врши од стране власничког софтвера FPGA компаније. Корисник ће потврдити мапу, положити и усмерити резултате помоћу временских анализа, симулације и других метода верификације. Када се процес дизајна и валидације заврши, бинарна датотека која се генерише (такође користећи власнички софтвер компаније ФПГА) се користи за (поновно) конфигурисање ФПГА. Ова датотека се преноси на FPGA / CPLD преко серијског интерфејса (JTAG) или на спољни меморијски уређај као ЕЕПРОМ.

Најчешћи језици за опис хардвера су VHDL и Verilog, иако у покушају да се смањи сложеност дизајнирања у језицима за опис хардвера, који су упоређени са еквивалентним асемблерским језицима,постоје иницијативе да се подигне ниво апстракције увођењем алтернативних језика. Графички програмски језик LabVIEW компаније National Instruments (понекад под називом "G") има FPGA додатак који је намењен за програмирање FPGA хардвера.

Да би се поједноставио дизајн сложених система у FPGA компоненти, постоје библиотеке унапред дефинисаних сложених функција и кола који су тестирани и оптимизовани како би се убрзао процес дизајна. Ова унапред дефинисана кола се обично зову IP језгра и доступна су од произвођача FPGA компоненти и разних добављача (ретко су бесплатни и обично су објављени под власничким лиценцама). Остала предефинисана кола су доступна од заједница програмера као што су OpenCores (типично објављени под слободним лиценцама и лиценцама отвореног кода као што су GPL, BSD или слична лиценца) и других извора.

У типичном току дизајна, FPGA апликатор ће симулирати дизајн у више фаза током процеса пројектовања. У почетку је опис RTL-а у VHDL-у или Verilog-у симулиран стварањем тестова за симулацију система и посматрање резултата. Затим, након што је мотор за логичку синтезу мапирао дизајн на нетлисту, netlist је преведен у опис на нивоу основних логичких кола, где се симулација понавља како би се потврдила синтеза која се наставила без грешака. На крају, дизајн је постављен у FPGA, у којем се могу додати кашњења пропагације и симулација се поново покреће са овим вриједностима.

Недавно, програмери су почели да користе OpenCL не би ли искористили предности перформанси и ефикасности снаге које FPGA обезбеђују. OpenCL омогућава програмерима да развијају код на програмском језику C и циљане FPGA функције као OpenCL језгра користећи OpenCL конструкте.

Основни типови технологија

• СРАМ – на бази технологије статичке меморије. Програмирање унутар система и репрограмабилни. Захтева спољне уређаје за покретање. ЦМОС. Тренутно у употреби. Важно је напоменути да флеш меморија или ЕЕПРОМ уређај често учитава садржај у интерни СРАМ који контролише рутирање и логику.
• Електрични осигурач – Само једном могуће програмирање. Биполарни. Застарело.
• Antifuse – Само једном могуће програмирање. ЦМОС.
• ПРОМ – (енгл. Programmable Read-Only Memory) технологија. Само једном могуће програмирање због пластичне кутије. Застарело.
• ЕПРОМ – (енгл. Erasable Programmable Read-Only Memory) технологија. Само једном могуће програмирање, али се може обрисати излагањем ултра љубичастој светлости. ЦМОС. Застарело.
• ЕЕПРОМ – (енгл. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) технологија. Може се обрисати, чак иако је у пластичним кутијама. Неки, али не сви ЕЕПРОМ се могу програмирати унутар система. ЦМОС.
• Флеш – Може се избрисати, чак и у пластичним кутијама. Неки, али не сви флеш уређаји се могу програмирати унутар система. Обично флеш ћелија је мања од еквивалентне ЕЕПРОМ ћелије и зато је њена производња јефтинија. ЦМОС.

Произвођачи FPGA компоненти

Тренутно главне произвођаче FPGA компоненти на тржишту чине компаније Xilinx и Altera. Заједно контролишу преко 80% тржишта, а сам Xilinx преко 50% читавог тржишта.

Компаније које такође производе FPGA компоненте су: Lattice Semiconductor, Actel, Atmel, SiliconBlue Technologies, QuickLogic i Achronix.

У марту 2010. године две компаније, Tier Logic и Tabula, су објавиле своје нове FPGA технологије.

Видите још

• VHDL (Интегрисано коло веома велике брзине) језик за опис хардвера

Литература

• Wисниеwски, Ремигиусз (2009). Сyнтхесис оф цомпоситионал мицропрограм цонтрол унитс фор программабле девицес. Зиелона Гóра: Университy оф Зиелона Гóра. стр. 153. ИСБН 978-83-7481-293-1. 
• Sadrozinski, Hartmut F.-W.; Wu, Jinyuan (2010). Applications of Field-Programmable Gate Arrays in Scientific Research. Taylor & Francis. ISBN 978-1-4398-4133-4. 
• Wirth, Niklaus (1995). Digital Circuit Design An Introduction Textbook. Springer. ISBN 978-3-540-58577-0. 

Спољашње везе

• FPGA Center Архивирано на сајту Wayback Machine (5. јануар 2014), туторијали и пример
• What is an FPGA? на сајту YouTube
• FPGA база података (обухвата све FPGA komponente koje su ikada postojale na tržištu)