(Nieuw en origineel) Op voorraad 3S200A-4FTG256C IC Chip XC3S200A-4FTG256C

Productkenmerken

 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.

Logische blokken[bewerking]

Hoofd artikel:Logisch blok

Vereenvoudigde voorbeeldillustratie van een logische cel (LUT –Opzoektabel, FA –Volledige opteller, DFF –D-type flip-flop)

De meest voorkomende FPGA-architectuur bestaat uit een array vanlogische blokken(ook wel configureerbare logische blokken, CLB's of logische array-blokken, LAB's genoemd, afhankelijk van de leverancier),I/O-padsen routeringskanalen.^[1]Over het algemeen hebben alle routeringskanalen dezelfde breedte (aantal draden).Er kunnen meerdere I/O-pads passen in de hoogte van één rij of de breedte van één kolom in de array.

“Een applicatiecircuit moet in kaart worden gebracht in een FPGA met voldoende middelen.Hoewel het aantal vereiste CLB's/LAB's en I/O's eenvoudig kan worden bepaald op basis van het ontwerp, kan het aantal benodigde routeringssporen aanzienlijk variëren, zelfs tussen ontwerpen met dezelfde hoeveelheid logica.(Bijvoorbeeld eendwarsbalk schakelaarvereist veel meer routering dan eensystolische reeksmet hetzelfde aantal poorten.Omdat ongebruikte routeringssporen de kosten verhogen (en de prestaties verlagen) van het onderdeel zonder enig voordeel te bieden, proberen FPGA-fabrikanten net genoeg sporen te leveren zodat de meeste ontwerpen die passen in termen vanopzoektabellen(LUT's) en I/O's kunnen dat wel zijngerouteerd.Dit wordt bepaald door schattingen zoals die waaruit zijn afgeleidDe regel van de huurof door experimenten met bestaande ontwerpen.”^[21]Vanaf 2018netwerk-op-chiparchitecturen voor routing en interconnectie worden ontwikkeld.^{[citaat nodig]}

Over het algemeen bestaat een logisch blok uit een paar logische cellen (genaamd ALM, LE, slice enz.).Een typische cel bestaat uit een LUT met 4 ingangen, avolledige opteller(FA) en eenD-type flip-flop.Deze kunnen worden opgesplitst in twee LUT's met 3 ingangen.Innormale modusdeze worden via de eerste gecombineerd tot een LUT met 4 ingangenmultiplexer(mux).InrekenkundigIn de modus worden hun uitgangen naar de opteller gevoerd.De selectie van de modus wordt geprogrammeerd in de tweede mux.De uitvoer kan een van beide zijnsynchroonofasynchroon, afhankelijk van de programmering van de derde mux.In de praktijk is de opteller dat geheel of gedeeltelijkopgeslagen als functiesin de LUT's om op te slaanruimte.^[22][23][24]

Harde blokken[bewerking]

Moderne FPGA-families breiden de bovenstaande mogelijkheden uit met functionaliteit van een hoger niveau, vastgelegd in silicium.Door deze gemeenschappelijke functies in het circuit in te bouwen, is er minder ruimte nodig en kunnen deze functies sneller worden vergeleken met het bouwen ervan op basis van logische primitieven.Voorbeelden hiervan zijn onder meervermenigvuldigers, algemeenDSP-blokken,ingebedde processors, snelle I/O-logica en ingebedherinneringen.

Hogere FPGA's kunnen hoge snelheden bevattenmulti-gigabit-zendontvangersEnharde IP-kernenzoalsprocessorkernen,Ethernet middelgrote toegangscontrole-eenheden,PCI/PCI Expresscontrollers en externe geheugencontrollers.Deze kernen bestaan ​​naast de programmeerbare structuur, maar zijn waaruit ze zijn opgebouwdtransistorsin plaats van LUT's, zodat ze ASIC-niveau hebbenprestatieEnenergieverbruikzonder een aanzienlijke hoeveelheid fabric-bronnen te verbruiken, waardoor een groter deel van de fabric vrij blijft voor de applicatiespecifieke logica.De multi-gigabit transceivers bevatten ook hoogwaardige analoge invoer- en uitvoercircuits, samen met snelle serializers en deserializers, componenten die niet uit LUT's kunnen worden opgebouwd.Fysieke laagfunctionaliteit (PHY) op een hoger niveau, zoalslijncoderingkan al dan niet naast de serializers en deserializers in harde logica worden geïmplementeerd, afhankelijk van de FPGA.