IC-chip met geïntegreerde schakeling Elektronische component XC5VLX110-1FFG1153C FPGA Virtex-5

Productkenmerken

Rapporteer productinformatiefout

Bekijk vergelijkbaar

Documenten en media

Milieu- en exportclassificaties

Veldprogrammeerbare poortarray

Aveldprogrammeerbare poortarray(FPGA) is eengeïntegreerde schakelingontworpen om na productie door een klant of ontwerper te worden geconfigureerd – vandaar de termveldprogrammeerbaar.De FPGA-configuratie wordt doorgaans gespecificeerd met behulp van eenhardwarebeschrijvingstaal(HDL), vergelijkbaar met die gebruikt voor eenApplication Specific Integrated Circuit(ASIC).Schakelschema'swerden voorheen gebruikt om de configuratie te specificeren, maar dit wordt steeds zeldzamer door de komst vanelektronische ontwerpautomatiseringhulpmiddelen.

FPGA's bevatten een reeks vanprogrammeerbaar logische blokkenen een hiërarchie van herconfigureerbare verbindingen waardoor blokken met elkaar kunnen worden verbonden.Logische blokken kunnen worden geconfigureerd om complexe taken uit te voerencombinatorische functies, of doe het zo simpellogische poortenleuk vindenENEnXOR.In de meeste FPGA's bevatten logische blokken ookgeheugen elementen, wat misschien eenvoudig isslippersof meer complete geheugenblokken.^[1]Veel FPGA's kunnen opnieuw worden geprogrammeerd om verschillende te implementerenlogische functies, waardoor flexibelherconfigureerbaar computergebruikzoals uitgevoerd incomputer software.

FPGA's spelen daarin een opmerkelijke rolingebouwd systeemontwikkeling vanwege hun vermogen om de ontwikkeling van systeemsoftware gelijktijdig met de hardware te starten, simulaties van systeemprestaties in een zeer vroege fase van de ontwikkeling mogelijk te maken en verschillende systeemproeven en ontwerpiteraties mogelijk te maken voordat de systeemarchitectuur wordt afgerond.^[2]

Geschiedenis[bewerking]

De FPGA-industrie is hieruit voortgekomenprogrammeerbaar alleen-lezen geheugen(PROM) enprogrammeerbare logische apparaten(PLD's).PROM's en PLD's hadden beide de mogelijkheid om batchgewijs in een fabriek of in het veld te worden geprogrammeerd (veldprogrammeerbaar).^[3]

Alterawerd opgericht in 1983 en leverde in 1984 het eerste herprogrammeerbare logische apparaat in de sector – de EP300 – met een kwartsvenster in de verpakking waarmee gebruikers een ultraviolette lamp op de chip konden laten schijnen om de chip te wissen.EPROMcellen die de apparaatconfiguratie bevatten.^[4]

Xilinxproduceerde de eerste commercieel levensvatbare veldprogrammeerbarepoortreeksin 1985^[3]– de XC2064.^[5]De XC2064 had programmeerbare poorten en programmeerbare verbindingen tussen poorten, het begin van een nieuwe technologie en markt.^[6]De XC2064 had 64 configureerbare logische blokken (CLB's), met twee ingangen met drie ingangenopzoektabellen(LUT's).^[7]

In 1987 werd deNaval Surface Warfare-centrumfinancierde een door Steve Casselman voorgesteld experiment om een ​​computer te ontwikkelen die 600.000 herprogrammeerbare poorten zou implementeren.Casselman was succesvol en in 1992 werd een patent op het systeem verleend.^[3]

Altera en Xilinx bleven onbetwist en groeiden snel van 1985 tot het midden van de jaren negentig, toen concurrenten opkwamen en een aanzienlijk deel van hun marktaandeel uithollen.In 1993 had Actel (nuMicrosemi) bedient ongeveer 18 procent van de markt.^[6]

De jaren negentig waren een periode van snelle groei voor FPGA's, zowel qua circuitverfijning als qua productievolume.Begin jaren negentig werden FPGA's voornamelijk gebruikt intelecommunicatieEnnetwerken.Tegen het einde van het decennium vonden FPGA's hun weg naar consumenten-, automobiel- en industriële toepassingen.^[8]

In 2013 vertegenwoordigden Altera (31 procent), Actel (10 procent) en Xilinx (36 procent) samen ongeveer 77 procent van de FPGA-markt.^[9]

Bedrijven als Microsoft zijn begonnen met het gebruik van FPGA's om krachtige, rekenintensieve systemen (zoals dedatacentradie hun bedienenBing-zoekmachine), vanwege deprestatie per wattvoordeel FPGA's leveren.^[10]Microsoft begon FPGA's te gebruikenversnellenBing in 2014 en in 2018 begonnen met het inzetten van FPGA’s voor andere datacenterworkloads voor hunAzuur cloud computingplatform.^[11]

De volgende tijdlijnen geven de voortgang aan in verschillende aspecten van FPGA-ontwerp:

Poorten

• 1987: 9.000 poorten, Xilinx^[6]
• 1992: 600.000, afdeling Naval Surface Warfare^[3]
• Begin jaren 2000: miljoenen^[8]
• 2013: 50 miljoen, Xilinx^[12]

Marktomvang

• 1985: Eerste commerciële FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: $ 14 miljoen^[6]
• C.1993: >$385 miljoen^{[6][mislukte verificatie]}
• 2005: $ 1,9 miljard^[13]
• Schattingen voor 2010: $ 2,75 miljard^[13]
• 2013: $ 5,4 miljard^[14]
• Schatting voor 2020: $9,8 miljard^[14]

Het ontwerp begint

Aontwerp beginnenis een nieuw ontwerp op maat voor implementatie op een FPGA.

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

Ontwerp[bewerking]

Hedendaagse FPGA's beschikken over grote hulpbronnenlogische poortenen RAM-blokken om complexe digitale berekeningen te implementeren.Omdat FPGA-ontwerpen zeer snelle I/O-snelheden en bidirectionele gegevens gebruikenbussen, wordt het een uitdaging om de juiste timing van geldige gegevens binnen de insteltijd en bewaartijd te verifiëren.

Vloerplanningmaakt toewijzing van middelen binnen FPGA's mogelijk om aan deze tijdsbeperkingen te voldoen.FPGA's kunnen worden gebruikt om elke logische functie te implementeren die eenASICkan uitvoeren.De mogelijkheid om de functionaliteit na verzending bij te werken,gedeeltelijke herconfiguratievan een deel van het ontwerp^[17]en de lage eenmalige engineeringkosten ten opzichte van een ASIC-ontwerp (ondanks de doorgaans hogere eenheidskosten) bieden voordelen voor veel toepassingen.^[1]

Sommige FPGA's hebben naast digitale functies ook analoge functies.De meest voorkomende analoge functie is programmeerbaarzwenksnelheidop elke uitgangspin, waardoor de ingenieur lage snelheden kan instellen op lichtbelaste pinnen die anders wel zouden werkenringofstelonaanvaardbaar, en om hogere tarieven in te stellen voor zwaarbelaste pinnen op hogesnelheidskanalen die anders te langzaam zouden draaien.^[18][19]Ook gebruikelijk zijn kwarts-kristaloscillatoren, weerstand-capaciteitsoscillatoren op de chip, enfasevergrendelde lussenmet ingebedspanningsgestuurde oscillatorengebruikt voor het genereren en beheren van klokken, evenals voor snelle serializer-deserializer (SERDES) zendklokken en ontvangerklokherstel.Vrij vaak voorkomend zijn differentiëlevergelijkersop ingangspinnen die zijn ontworpen om op te worden aangeslotendifferentiële signaleringkanalen.Een paar "gemengd signaalFPGA's hebben geïntegreerde randapparatuuranaloog-naar-digitaal omzetters(ADC's) endigitaal-naar-analoog omzetters(DAC's) met analoge signaalconditioneringsblokken waardoor ze kunnen werken als eensysteem-op-een-chip(SoC).^[20]Dergelijke apparaten vervagen de grens tussen een FPGA, die digitale enen en nullen op zijn interne programmeerbare interconnect-structuur draagt, enveldprogrammeerbare analoge array(FPAA), dat analoge waarden overdraagt ​​op zijn interne programmeerbare interconnect-structuur.