(Ny og original) På lager 3S200A-4FTG256C IC-brikke XC3S200A-4FTG256C

Produktegenskaper

 Feltprogrammerbar portarray

 ENfeltprogrammerbar portarray(FPGA) er enintegrert kretsdesignet for å bli konfigurert av en kunde eller en designer etter produksjon – derav begrepetfeltprogrammerbare.FPGA-konfigurasjonen er vanligvis spesifisert ved å bruke enmaskinvarebeskrivelsesspråk(HDL), lik den som brukes for enapplikasjonsspesifikk integrert krets(ASIC).Kretsskjemaerble tidligere brukt til å spesifisere konfigurasjonen, men dette er stadig mer sjeldent på grunn av bruken avelektronisk designautomatiseringverktøy.

FPGA-er inneholder en rekkeprogrammerbar logiske blokker, og et hierarki av rekonfigurerbare sammenkoblinger som gjør at blokker kan kobles sammen.Logikkblokker kan konfigureres til å utføre kompleksekombinasjonsfunksjoner, eller opptre så enkeltlogiske portersomOGogXOR.I de fleste FPGA-er inkluderer logikkblokker ogsåminneelementer, som kan være enkeltflip-flopseller flere komplette minneblokker.^[1]Mange FPGA-er kan omprogrammeres til å implementere forskjelligelogiske funksjoner, tillater fleksibelrekonfigurerbar databehandlingsom utført iprogramvare til datamaskin.

FPGA-er har en bemerkelsesverdig rolle iintegrert systemutvikling på grunn av deres evne til å starte systemprogramvareutvikling samtidig med maskinvare, muliggjøre systemytelsessimuleringer i en veldig tidlig fase av utviklingen, og tillate ulike systemprøver og designgjentakelser før systemarkitekturen ferdigstilles.^[2]

Historie[redigere]

FPGA-industrien spiret fraprogrammerbart skrivebeskyttet minne(PROM) ogprogrammerbare logiske enheter(PLDs).PROM-er og PLD-er hadde begge muligheten til å bli programmert i batcher på en fabrikk eller i felt (feltprogrammerbare).^[3]

Alterable grunnlagt i 1983 og leverte bransjens første omprogrammerbare logiske enhet i 1984 – EP300 – som inneholdt et kvartsvindu i pakken som tillot brukere å skinne en ultrafiolett lampe på formen for å sletteEPROMceller som inneholdt enhetskonfigurasjonen.^[4]

Xilinxproduserte den første kommersielt levedyktige feltprogrammerbareportarrayi 1985^[3]– XC2064.^[5]XC2064 hadde programmerbare porter og programmerbare sammenkoblinger mellom porter, begynnelsen på en ny teknologi og et nytt marked.^[6]XC2064 hadde 64 konfigurerbare logiske blokker (CLB), med to tre-inngangeroppslagstabeller(LUTs).^[7]

I 1987 bleNaval Surface Warfare Centerfinansierte et eksperiment foreslått av Steve Casselman for å utvikle en datamaskin som skulle implementere 600 000 omprogrammerbare porter.Casselman var vellykket og et patent relatert til systemet ble utstedt i 1992.^[3]

Altera og Xilinx fortsatte uimotsagt og vokste raskt fra 1985 til midten av 1990-tallet da konkurrenter spiret opp, og eroderte en betydelig del av deres markedsandel.I 1993, Actel (nåMikrosemi) tjente rundt 18 prosent av markedet.^[6]

1990-tallet var en periode med rask vekst for FPGA-er, både når det gjelder kretsavvikelse og produksjonsvolumet.På begynnelsen av 1990-tallet ble FPGA-er primært brukt itelekommunikasjonognettverk.Ved slutten av tiåret fant FPGA-er veien til forbruker-, bil- og industriapplikasjoner.^[8]

I 2013 representerte Altera (31 prosent), Actel (10 prosent) og Xilinx (36 prosent) til sammen omtrent 77 prosent av FPGA-markedet.^[9]

Selskaper som Microsoft har begynt å bruke FPGA-er for å akselerere høyytelses, beregningsintensive systemer (somdatasentresom driver deresBing søkemotor), på grunn avytelse per wattfordel FPGAer gir.^[10]Microsoft begynte å bruke FPGAer for åakselerereBing i 2014, og i 2018 begynte å distribuere FPGA-er på tvers av andre datasenterarbeidsmengder for deresAzure cloud computingplattform.^[11]

Følgende tidslinjer indikerer fremgang i ulike aspekter av FPGA-design:

Porter

• 1987: 9000 porter, Xilinx^[6]
• 1992: 600 000, Naval Surface Warfare Department^[3]
• Tidlig på 2000-tallet: millioner^[8]
• 2013: 50 millioner, Xilinx^[12]

Markedsstørrelse

• 1985: Første kommersielle FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 millioner dollar^[6]
• c.1993: >385 millioner dollar^{[6][mislykket verifisering]}
• 2005: 1,9 milliarder dollar^{[1. 3]}
• Anslag for 2010: 2,75 milliarder dollar^{[1. 3]}
• 2013: 5,4 milliarder dollar^[14]
• Anslag for 2020: 9,8 milliarder dollar^[14]

Designet starter

ENdesign starter et nytt tilpasset design for implementering på en FPGA.

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

Design[redigere]

Moderne FPGA-er har store ressurser pålogiske porterog RAM-blokker for å implementere komplekse digitale beregninger.Ettersom FPGA-design bruker svært raske I/O-hastigheter og toveis databusser, blir det en utfordring å verifisere riktig timing av gyldige data innenfor oppsettstid og holdetid.

Planleggingmuliggjør ressursallokering innenfor FPGAer for å møte disse tidsbegrensningene.FPGA-er kan brukes til å implementere enhver logisk funksjon som enASICkan utføre.Muligheten til å oppdatere funksjonaliteten etter forsendelse,delvis rekonfigurasjonav en del av designet^[17]og de lave ikke-tilbakevendende ingeniørkostnadene i forhold til en ASIC-design (til tross for de generelt høyere enhetskostnadene), gir fordeler for mange applikasjoner.^[1]

Noen FPGA-er har analoge funksjoner i tillegg til digitale funksjoner.Den vanligste analoge funksjonen er en programmerbarsvekkhastighetpå hver utgangspinne, slik at ingeniøren kan sette lave priser på lett belastede pinner som ellers ville gjortringeellerparuakseptabelt, og å sette høyere hastigheter på tungt belastede pinner på høyhastighetskanaler som ellers ville gått for sakte.^[18][19]Vanlige er også kvarts-krystalloscillatorer, on-chip motstand-kapasitans oscillatorer, ogfaselåste løkkermed innebygdspenningsstyrte oscillatorerbrukes til klokkegenerering og -styring samt for høyhastighets serializer-deserializer (SERDES) sendeklokker og mottakerklokkegjenoppretting.Ganske vanlige er differensiellekomparatorerpå inngangsstifter designet for å kobles tildifferensiell signaleringkanaler.Noen "blandet signalFPGAer" har integrert periferutstyranalog-til-digital omformere(ADC) ogdigital-til-analog-omformere(DAC-er) med analoge signalkondisjoneringsblokker som lar dem fungere som ensystem-på-en-brikke(SoC).^[20]Slike enheter visker ut linjen mellom en FPGA, som har digitale enere og nuller på det interne programmerbare sammenkoblingsstoffet, ogfeltprogrammerbar analog array(FPAA), som bærer analoge verdier på det interne programmerbare sammenkoblingsstoffet.

Logikkblokker[redigere]

Hovedartikkel:Logisk blokk

Forenklet eksempelillustrasjon av en logisk celle (LUT –Oppslagstabell, FA –Full huggorm, DFF –D-type flip-flop)

Den vanligste FPGA-arkitekturen består av en rekkelogiske blokker(kalt konfigurerbare logiske blokker, CLB-er eller logiske array-blokker, LAB-er, avhengig av leverandør),I/O-puter, og ruting av kanaler.^[1]Generelt har alle rutekanalene samme bredde (antall ledninger).Flere I/O-puter kan passe inn i høyden på én rad eller bredden på én kolonne i matrisen.

"En applikasjonskrets må tilordnes en FPGA med tilstrekkelige ressurser.Mens antallet CLB-er/LAB-er og I/O-er som kreves lett kan bestemmes ut fra designet, kan antall nødvendige rutespor variere betydelig selv blant design med samme mengde logikk.(For eksempel, atverrstangbryterkrever mye mer ruting enn ensystolisk arraymed samme portantall.Siden ubrukte routingspor øker kostnadene (og reduserer ytelsen) til delen uten å gi noen fordel, prøver FPGA-produsenter å skaffe akkurat nok spor slik at de fleste design som vil passe mht.oppslagstabeller(LUTs) og I/Os kan værerutes.Dette bestemmes av estimater som de som er utledet fraLeiens regeleller ved eksperimenter med eksisterende design.»^[21]Fra og med 2018,nettverk-på-brikkeDet utvikles arkitekturer for ruting og sammenkobling.^{[kilde trengs]}

Generelt består en logisk blokk av noen få logiske celler (kalt ALM, LE, skive osv.).En typisk celle består av en 4-inngang LUT, enfull huggorm(FA) og enD-type flip-flop.Disse kan deles inn i to 3-inngangs LUT-er.Inormal modusdisse er kombinert til en 4-inngang LUT gjennom den førstemultiplekser(mux).Iaritmetikkmodus, mates utgangene deres til adderen.Valget av modus er programmert inn i den andre mux.Utgangen kan være entensynkronellerasynkron, avhengig av programmeringen av den tredje mux.I praksis er hele eller deler av hoggormenlagret som funksjonerinn i LUT-ene for å sparerom.^[22][23][24]

Harde blokker[redigere]

Moderne FPGA-familier utvider de ovennevnte egenskapene til å inkludere funksjonalitet på høyere nivå festet i silisium.Å ha disse vanlige funksjonene innebygd i kretsen reduserer arealet som kreves og gir disse funksjonene økt hastighet sammenlignet med å bygge dem fra logiske primitiver.Eksempler på disse inkluderermultiplikatorer, generiskDSP-blokker,innebygde prosessorer, høyhastighets I/O-logikk og innebygdminner.

Høyere FPGA-er kan inneholde høy hastighetmulti-gigabit transceivereogharde IP-kjernersom for eksempelprosessorkjerner,Ethernet middels tilgangskontrollenheter,PCI/PCI Expresskontrollere og eksterne minnekontrollere.Disse kjernene eksisterer ved siden av det programmerbare stoffet, men de er bygget ut avtransistoreri stedet for LUT-er, så de har ASIC-nivåopptredenogstrømforbrukuten å forbruke en betydelig mengde stoffressurser, noe som lar mer av stoffet være ledig for den applikasjonsspesifikke logikken.Multi-gigabit-sendere/mottakerne inneholder også analoge inngangs- og utgangskretser med høy ytelse sammen med høyhastighets serializers og deserializers, komponenter som ikke kan bygges ut av LUT-er.Funksjonalitet på høyere nivå fysisk lag (PHY) som f.ekslinjekodingkan eller ikke kan implementeres sammen med serializers og deserializers i hard logikk, avhengig av FPGA.