(Νέο & Γνήσιο) Σε απόθεμα 3S200A-4FTG256C IC Chip XC3S200A-4FTG256C

Χαρακτηριστικά Προϊόντος

 Συστοιχία προγραμματιζόμενης πύλης πεδίου

 ΕΝΑπίνακας πύλης με δυνατότητα προγραμματισμού πεδίου(FPGA) είναι έναενσωματωμένο κύκλωμαέχει σχεδιαστεί για να διαμορφώνεται από έναν πελάτη ή έναν σχεδιαστή μετά την κατασκευή - εξ ου και ο όροςπρογραμματιζόμενο πεδίο.Η διαμόρφωση FPGA γενικά καθορίζεται χρησιμοποιώντας aγλώσσα περιγραφής υλικού(HDL), παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται για έναολοκληρωμένο κύκλωμα για συγκεκριμένη εφαρμογή(ASIC).Διαγράμματα κυκλωμάτωνχρησιμοποιήθηκαν προηγουμένως για τον καθορισμό της διαμόρφωσης, αλλά αυτό είναι όλο και πιο σπάνιο λόγω της εμφάνισης τουηλεκτρονικός αυτοματισμός σχεδιασμούεργαλεία.

Τα FPGA περιέχουν μια σειρά απόπρογραμματιζόμενος λογικά μπλοκ, και μια ιεραρχία επαναδιαμορφώσιμων διασυνδέσεων που επιτρέπουν στα μπλοκ να συνδεθούν μεταξύ τους.Τα λογικά μπλοκ μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να εκτελούν σύνθετασυνδυαστικές λειτουργίες, ή ενεργήστε ως απλάλογικές πύλεςαρέσειΚΑΙκαιXOR.Στα περισσότερα FPGA, τα λογικά μπλοκ περιλαμβάνουν επίσηςστοιχεία μνήμης, που μπορεί να είναι απλόσαγιονάρεςή πιο ολοκληρωμένα μπλοκ μνήμης.^[1]Πολλά FPGA μπορούν να επαναπρογραμματιστούν για να υλοποιήσουν διαφορετικάλογικές συναρτήσεις, επιτρέποντας ευέλικτηεπαναδιαμορφώσιμος υπολογιστήςόπως εκτελείται σεΛογισμικό Ηλεκτρονικών Υπολογιστών.

Τα FPGA έχουν αξιοσημείωτο ρόλοενσωματωμένο σύστημαανάπτυξη λόγω της ικανότητάς τους να ξεκινούν την ανάπτυξη λογισμικού συστήματος ταυτόχρονα με υλικό, να επιτρέπουν προσομοιώσεις απόδοσης συστήματος σε πολύ πρώιμο στάδιο ανάπτυξης και να επιτρέπουν διάφορες δοκιμές συστήματος και επαναλήψεις σχεδίασης πριν από την οριστικοποίηση της αρχιτεκτονικής του συστήματος.^[2]

Ιστορία[επεξεργασία]

Η βιομηχανία FPGA φύτρωσε απόπρογραμματιζόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση(PROM) καιπρογραμματιζόμενες λογικές συσκευές(PLDs).Τα PROM και τα PLD είχαν και τα δύο τη δυνατότητα να προγραμματιστούν σε παρτίδες σε ένα εργοστάσιο ή στο πεδίο (προγραμματιζόμενο σε πεδίο).^[3]

Alteraιδρύθηκε το 1983 και παρέδωσε την πρώτη επαναπρογραμματιζόμενη λογική συσκευή της βιομηχανίας το 1984 – την EP300 – η οποία περιείχε ένα παράθυρο από χαλαζία στη συσκευασία που επέτρεπε στους χρήστες να λάμπουν μια λάμπα υπεριώδους στο καλούπι για να διαγράψουν τοEPROMκελιά που περιείχαν τη διαμόρφωση της συσκευής.^[4]

Xilinxπαρήγαγε το πρώτο εμπορικά βιώσιμο προγραμματιζόμενο πεδίοσυστοιχία πύληςτο 1985^[3]– το XC2064.^[5]Το XC2064 είχε προγραμματιζόμενες πύλες και προγραμματιζόμενες διασυνδέσεις μεταξύ των πυλών, τις απαρχές μιας νέας τεχνολογίας και αγοράς.^[6]Το XC2064 είχε 64 ρυθμιζόμενα λογικά μπλοκ (CLB), με δύο τρεις εισόδουςπίνακες αναζήτησης(LUTs).^[7]

Το 1987, τοΚέντρο Ναυτικού Επιφανειακού Πολέμουχρηματοδότησε ένα πείραμα που πρότεινε ο Steve Casselman για την ανάπτυξη ενός υπολογιστή που θα υλοποιούσε 600.000 επαναπρογραμματιζόμενες πύλες.Ο Casselman ήταν επιτυχής και ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σχετικό με το σύστημα εκδόθηκε το 1992.^[3]

Η Altera και η Xilinx συνέχισαν χωρίς αμφισβήτηση και αναπτύχθηκαν γρήγορα από το 1985 έως τα μέσα της δεκαετίας του 1990, όταν οι ανταγωνιστές φύτρωσαν, διαβρώνοντας σημαντικό μέρος του μεριδίου αγοράς τους.Μέχρι το 1993, ο Actel (τώραMicrosemi) εξυπηρετούσε περίπου το 18 τοις εκατό της αγοράς.^[6]

Η δεκαετία του 1990 ήταν μια περίοδος ταχείας ανάπτυξης για τα FPGA, τόσο στην πολυπλοκότητα του κυκλώματος όσο και στον όγκο της παραγωγής.Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, τα FPGA χρησιμοποιήθηκαν κυρίως σετηλεπικοινωνιώνκαιδικτύωση.Μέχρι το τέλος της δεκαετίας, τα FPGA βρήκαν το δρόμο τους σε καταναλωτικές, αυτοκινητοβιομηχανίες και βιομηχανικές εφαρμογές.^[8]

Μέχρι το 2013, η Altera (31 τοις εκατό), η Actel (10 τοις εκατό) και η Xilinx (36 τοις εκατό) αντιπροσώπευαν μαζί περίπου το 77 τοις εκατό της αγοράς FPGA.^[9]

Εταιρείες όπως η Microsoft έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούν FPGA για να επιταχύνουν συστήματα υψηλής απόδοσης και υπολογιστικής έντασης (όπως τοκέντρα δεδομένωνπου λειτουργούν τουςμηχανή αναζήτησης Bing), λόγω τηςαπόδοση ανά wattΤα FPGA προσφέρουν πλεονέκτημα.^[10]Η Microsoft άρχισε να χρησιμοποιεί FPGA για ναεπιταχύνωΗ Bing το 2014 και το 2018 άρχισε να αναπτύσσει FPGA σε άλλους φόρτους εργασιών κέντρων δεδομένων γιαΓαλανός cloud computingπλατφόρμα.^[11]

Τα ακόλουθα χρονοδιαγράμματα υποδεικνύουν την πρόοδο σε διάφορες πτυχές του σχεδιασμού FPGA:

Πύλες

• 1987: 9.000 πύλες, Xilinx^[6]
• 1992: 600.000, Τμήμα Ναυτικού Επιφανειακού Πολέμου^[3]
• Αρχές της δεκαετίας του 2000: εκατομμύρια^[8]
• 2013: 50 εκατομμύρια, Xilinx^[12]

Το μέγεθος της αγοράς

• 1985: Πρώτο εμπορικό FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 εκατομμύρια δολάρια^[6]
• ντο.1993: >385 εκατομμύρια δολάρια^{[6][αποτυχημένη επαλήθευση]}
• 2005: 1,9 δισεκατομμύρια δολάρια^[13]
• Εκτιμήσεις 2010: 2,75 δισεκατομμύρια δολάρια^[13]
• 2013: 5,4 δισεκατομμύρια δολάρια^[14]
• Εκτίμηση 2020: 9,8 δισεκατομμύρια δολάρια^[14]

Ο σχεδιασμός ξεκινά

ΕΝΑέναρξη σχεδιασμούείναι μια νέα προσαρμοσμένη σχεδίαση για εφαρμογή σε ένα FPGA.

• 2005: 80.000^[15]
• 2008: 90.000^[16]

Σχέδιο[επεξεργασία]

Τα σύγχρονα FPGA διαθέτουν μεγάλους πόρουςλογικές πύλεςκαι μπλοκ RAM για την υλοποίηση πολύπλοκων ψηφιακών υπολογισμών.Καθώς τα σχέδια FPGA χρησιμοποιούν πολύ γρήγορους ρυθμούς εισόδου/εξόδου και αμφίδρομα δεδομέναλεωφορεία, γίνεται πρόκληση η επαλήθευση του σωστού χρονισμού των έγκυρων δεδομένων εντός του χρόνου εγκατάστασης και του χρόνου αναμονής.

Οροψίαεπιτρέπει την κατανομή πόρων εντός των FPGA για την κάλυψη αυτών των χρονικών περιορισμών.Τα FPGA μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση οποιασδήποτε λογικής συνάρτησηςASICμπορεί να εκτελέσει.Η δυνατότητα ενημέρωσης της λειτουργικότητας μετά την αποστολή,μερική επαναδιαμόρφωσηενός μέρους του σχεδίου^[17]και το χαμηλό μη επαναλαμβανόμενο κόστος μηχανικής σε σχέση με ένα σχέδιο ASIC (παρά το γενικά υψηλότερο κόστος μονάδας), προσφέρουν πλεονεκτήματα για πολλές εφαρμογές.^[1]

Ορισμένα FPGA διαθέτουν αναλογικά χαρακτηριστικά εκτός από ψηφιακές λειτουργίες.Το πιο συνηθισμένο αναλογικό χαρακτηριστικό είναι ένα προγραμματιζόμενοποσοστό θανάτωσηςσε κάθε ακροδέκτη εξόδου, επιτρέποντας στον μηχανικό να ορίσει χαμηλούς ρυθμούς σε ακίδες με ελαφρά φόρτωση, κάτι που διαφορετικά θα ήτανδαχτυλίδιήζευγάριαπαράδεκτα, και για να ορίσετε υψηλότερους ρυθμούς σε πολύ φορτωμένους ακροδέκτες σε κανάλια υψηλής ταχύτητας που διαφορετικά θα λειτουργούσαν πολύ αργά.^[18][19]Επίσης κοινά είναι ο χαλαζίας-κρυσταλλικούς ταλαντωτές, ταλαντωτές αντίστασης χωρητικότητας στο τσιπ καιβρόχους κλειδωμένους σε φάσημε ενσωματωμένοταλαντωτές ελεγχόμενης τάσηςχρησιμοποιείται για τη δημιουργία και τη διαχείριση ρολογιού καθώς και για ρολόγια μετάδοσης και ανάκτηση ρολογιού δέκτη υψηλής ταχύτητας σειριοποιητή-αποσειριοποιητή (SERDES).Αρκετά κοινά είναι τα διαφορικάσυγκριτέςστις ακίδες εισόδου που έχουν σχεδιαστεί για σύνδεσηδιαφορική σηματοδότησηκανάλια.Λίγα "μικτό σήμαFPGAs» έχουν ενσωματωμένο περιφερειακόμετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό(ADC) καιμετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό(DAC) με μπλοκ ρύθμισης αναλογικού σήματος που τους επιτρέπει να λειτουργούν ως ασύστημα σε τσιπ(SoC).^[20]Τέτοιες συσκευές θολώνουν τη γραμμή μεταξύ ενός FPGA, το οποίο φέρει ψηφιακά και μηδενικά στο εσωτερικό του προγραμματιζόμενο ύφασμα διασύνδεσης καιπρογραμματιζόμενη στο πεδίο αναλογική συστοιχία(FPAA), το οποίο φέρει αναλογικές τιμές στο εσωτερικό του προγραμματιζόμενο ύφασμα διασύνδεσης.

Λογικά μπλοκ[επεξεργασία]

Κύριο άρθρο:Λογικό μπλοκ

Απλοποιημένο παράδειγμα απεικόνισης ενός λογικού κελιού (LUT –Πίνακας αναζήτησης, FA –Πλήρης αθροιστής, DFF -Flip-flop τύπου D)

Η πιο κοινή αρχιτεκτονική FPGA αποτελείται από μια σειρά απόλογικά μπλοκ(ονομάζονται ρυθμιζόμενα λογικά μπλοκ, CLB, ή μπλοκ λογικών πινάκων, LAB, ανάλογα με τον προμηθευτή)Τακάκια I/Oκαι δρομολόγηση καναλιών.^[1]Γενικά, όλα τα κανάλια δρομολόγησης έχουν το ίδιο πλάτος (αριθμός καλωδίων).Πολλαπλά επιθέματα εισόδου/εξόδου μπορεί να χωρέσουν στο ύψος μιας γραμμής ή στο πλάτος μιας στήλης στον πίνακα.

«Ένα κύκλωμα εφαρμογής πρέπει να αντιστοιχιστεί σε ένα FPGA με επαρκείς πόρους.Ενώ ο αριθμός των απαιτούμενων CLB/LAB και I/O καθορίζεται εύκολα από τη σχεδίαση, ο αριθμός των απαιτούμενων διαδρομών δρομολόγησης μπορεί να ποικίλλει σημαντικά ακόμη και μεταξύ σχεδίων με την ίδια λογική.(Για παράδειγμα, αδιακόπτης εγκάρσιας ράβδουαπαιτεί πολύ περισσότερη δρομολόγηση από το ασυστολική συστοιχίαμε τον ίδιο αριθμό πύλης.Δεδομένου ότι οι αχρησιμοποίητες διαδρομές δρομολόγησης αυξάνουν το κόστος (και μειώνουν την απόδοση) του εξαρτήματος χωρίς να παρέχουν κανένα όφελος, οι κατασκευαστές FPGA προσπαθούν να παρέχουν αρκετά ίχνη έτσι ώστε τα περισσότερα σχέδια να ταιριάζουν μεπίνακες αναζήτησης(LUT) και I/O μπορεί να είναιδρομολογούνται.Αυτό καθορίζεται από εκτιμήσεις όπως αυτές που προέρχονται απόΚανόνας ενοικίουή με πειράματα με υπάρχοντα σχέδια».^[21]Από το 2018,δίκτυο σε τσιπαναπτύσσονται αρχιτεκτονικές για δρομολόγηση και διασύνδεση.^{[απαιτείται παραπομπή]}

Γενικά, ένα λογικό μπλοκ αποτελείται από μερικά λογικά κελιά (ονομάζονται ALM, LE, slice κ.λπ.).Ένα τυπικό κελί αποτελείται από ένα LUT 4 εισόδων, απλήρης αθροιστής(FA) και αFlip-flop τύπου D.Αυτά μπορεί να χωριστούν σε δύο LUT 3 εισόδων.Σεκανονική λειτουργίααυτά συνδυάζονται σε ένα LUT 4 εισόδων μέσω του πρώτουπολυπλέκτης(mux).Σεαριθμητικήλειτουργία, οι έξοδοι τους τροφοδοτούνται στον αθροιστή.Η επιλογή της λειτουργίας προγραμματίζεται στο δεύτερο mux.Η έξοδος μπορεί να είναι είτεσύγχρονοςήασύγχρονος, ανάλογα με τον προγραμματισμό του τρίτου mux.Στην πράξη, ολόκληρος ή μέρη του αθροιστή είναιαποθηκεύονται ως συναρτήσειςστα LUT για εξοικονόμησηχώρος.^[22][23][24]

Σκληρά μπλοκ[επεξεργασία]

Οι σύγχρονες οικογένειες FPGA επεκτείνονται στις παραπάνω δυνατότητες για να συμπεριλάβουν λειτουργικότητα υψηλότερου επιπέδου σταθεροποιημένη σε πυρίτιο.Έχοντας αυτές τις κοινές λειτουργίες ενσωματωμένες στο κύκλωμα μειώνεται η απαιτούμενη περιοχή και δίνει σε αυτές τις λειτουργίες αυξημένη ταχύτητα σε σύγκριση με την κατασκευή τους από λογικά πρωτόγονα.Παραδείγματα αυτών περιλαμβάνουνπολλαπλασιαστές, γενικόΜπλοκ DSP,ενσωματωμένους επεξεργαστές, λογική I/O υψηλής ταχύτητας και ενσωματωμένηαναμνήσεις.

Τα FPGA ανώτερης ποιότητας μπορεί να περιέχουν υψηλή ταχύτηταπομποδέκτες πολλαπλών gigabitκαισκληρούς πυρήνες IPόπωςπυρήνες επεξεργαστή,Ethernet μεσαίες μονάδες ελέγχου πρόσβασης,PCI/PCI Expressελεγκτές και ελεγκτές εξωτερικής μνήμης.Αυτοί οι πυρήνες υπάρχουν παράλληλα με το προγραμματιζόμενο ύφασμα, αλλά είναι κατασκευασμένοι απότρανζίστοραντί για LUT, ώστε να έχουν επίπεδο ASICεκτέλεσηκαικατανάλωση ενέργειαςχωρίς να καταναλώνεται σημαντικός αριθμός πόρων υφάσματος, αφήνοντας περισσότερο από το ύφασμα ελεύθερο για τη λογική της συγκεκριμένης εφαρμογής.Οι πομποδέκτες πολλαπλών gigabit περιέχουν επίσης κύκλωμα αναλογικής εισόδου και εξόδου υψηλής απόδοσης μαζί με σειριοποιητές και αποσειριοποιητές υψηλής ταχύτητας, στοιχεία που δεν μπορούν να κατασκευαστούν από LUT.Λειτουργικότητα φυσικού επιπέδου υψηλότερου επιπέδου (PHY), όπωςκωδικοποίηση γραμμήςμπορεί ή δεν μπορεί να εφαρμοστεί παράλληλα με τους σειριακούς και τους αποσειριοποιητές σε σκληρή λογική, ανάλογα με το FPGA.