(Uus ja originaal) Laos 3S200A-4FTG256C IC Chip XC3S200A-4FTG256C

Toote atribuudid

 Field Programmable Gate Array

 Aväljal programmeeritav väravamassiivi(FPGA) on anintegraallülituskavandatud kliendi või disaineri poolt pärast valmistamist konfigureerimiseks – siit ka terminväliprogrammeeritav.FPGA konfiguratsioon määratakse tavaliselt kasutades ariistvara kirjeldamise keel(HDL), mis on sarnane anrakendusespetsiifiline integraallülitus(ASIC).Vooluskeemidvarem kasutati konfiguratsiooni täpsustamiseks, kuid see on tuleku tõttu üha harvemelektrooniline projekteerimise automatiseeriminetööriistad.

FPGA-d sisaldavad massiiviprogrammeeritav loogikaplokidja ümberkonfigureeritavate ühenduste hierarhia, mis võimaldab plokke omavahel ühendada.Loogikaplokke saab konfigureerida keerulisi täitmakombineeritud funktsioonidvõi toimige nii lihtsaltloogika väravadmeeldibJAjaXOR.Enamikus FPGA-des hõlmavad ka loogikaplokidmälu elemendid, mis võib olla lihtneplätudvõi rohkem terviklikke mäluplokke.^[1]Paljusid FPGA-sid saab ümber programmeerida, et rakendada erinevaidloogilised funktsioonid, võimaldades paindlikkuümberkonfigureeritav andmetöötlusnagu sooritati aastalarvuti tarkvara.

FPGA-del on selles märkimisväärne rollsisseehitatud süsteemarendus tänu nende võimele käivitada süsteemitarkvara arendus samaaegselt riistvaraga, võimaldada süsteemi jõudluse simulatsioone arenduse väga varases faasis ning võimaldada erinevaid süsteemikatsetusi ja projekteerimise iteratsioone enne süsteemiarhitektuuri lõpetamist.^[2]

ajalugu[muuda]

FPGA tööstus kasvas väljaprogrammeeritav kirjutuskaitstud mälu(PROM) japrogrammeeritavad loogikaseadmed(PLD-d).Nii PROM-idel kui ka PLD-del oli võimalus programmeerida partiidena tehases või põllul (välja programmeeritav).^[3]

Alteraasutati 1983. aastal ja tarnis 1984. aastal tööstusharu esimese ümberprogrammeeritava loogikaseadme – EP300 –, mille pakendis oli kvartsaken, mis võimaldas kasutajatel valgustada matriitsile ultraviolettlambi, et kustutadaEPROMrakud, mis hoidsid seadme konfiguratsiooni.^[4]

Xilinxvalmistas esimese äriliselt elujõulise väliprogrammeeritavavärava massiivaastal 1985^[3]– XC2064.^[5]XC2064-l olid programmeeritavad väravad ja programmeeritavad väravatevahelised ühendused, mis on uue tehnoloogia ja turu algus.^[6]XC2064-l oli 64 konfigureeritavat loogikaplokki (CLB) kahe kolme sisendigaotsingutabelid(LUTs).^[7]

1987. aastalMereväe pinnasõja keskusrahastas Steve Casselmani pakutud katset arvuti väljatöötamiseks, mis rakendaks 600 000 ümberprogrammeeritavat väravat.Casselman oli edukas ja süsteemiga seotud patent anti välja 1992. aastal.^[3]

Altera ja Xilinx jätkasid vaidlusteta ja kasvasid kiiresti alates 1985. aastast kuni 1990. aastate keskpaigani, kui konkurendid tärkasid, vähendades märkimisväärset osa nende turuosast.Aastaks 1993 oli Actel (nüüdMicrosemi) teenindas umbes 18 protsenti turust.^[6]

1990ndad olid FPGA-de kiire kasvu periood nii ahela keerukuse kui ka tootmismahu poolest.1990. aastate alguses kasutati FPGA-sid peamiselttelekommunikatsioonjavõrgustumine.Kümnendi lõpuks leidsid FPGA-d tee tarbija-, auto- ja tööstusrakendustesse.^[8]

2013. aastaks moodustasid Altera (31 protsenti), Actel (10 protsenti) ja Xilinx (36 protsenti) kokku ligikaudu 77 protsenti FPGA turust.^[9]

Sellised ettevõtted nagu Microsoft on hakanud kasutama FPGA-sid, et kiirendada suure jõudlusega arvutusmahukaid süsteeme (naguandmekeskusedmis neid opereerivadBingi otsingumootor), tõttujõudlus vati kohtaFPGA-de eelised.^[10]Microsoft hakkas selleks kasutama FPGA-sidkiirendadaBing alustas 2014. aastal ja 2018. aastal FPGA-de juurutamist teiste andmekeskuste töökoormuste jaoks.Azure pilvandmetöötlusplatvorm.^[11]

Järgmised ajagraafikud näitavad edusamme FPGA disaini eri aspektides:

Väravad

• 1987: 9000 väravat, Xilinx^[6]
• 1992: 600 000, mereväe pinnasõja osakond^[3]
• 2000. aastate algus: miljonid^[8]
• 2013: 50 miljonit, Xilinx^[12]

Turu suurus

• 1985: esimene kommertslik FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 miljonit dollarit^[6]
• c.1993: > 385 miljonit dollarit^{[6][ebaõnnestunud kinnitamine]}
• 2005: 1,9 miljardit dollarit^[13]
• 2010. aasta hinnangud: 2,75 miljardit dollarit^[13]
• 2013: 5,4 miljardit dollarit^[14]
• 2020. aasta hinnang: 9,8 miljardit dollarit^[14]

Disain algab

Adisaini alguson uus kohandatud disain FPGA-le rakendamiseks.

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

Disain[muuda]

Kaasaegsetel FPGA-del on suured ressursidloogika väravadja RAM-i plokid keerukate digitaalsete arvutuste rakendamiseks.Kuna FPGA konstruktsioonid kasutavad väga kiiret I/O kiirust ja kahesuunalisi andmeidbussid, on väljakutseks kontrollida kehtivate andmete õiget ajastust seadistus- ja ooteaja jooksul.

Korruse planeeriminevõimaldab FPGA-des ressursside jaotamist nende ajapiirangute täitmiseks.FPGA-sid saab kasutada mis tahes loogilise funktsiooni rakendamiseksASICsaab esineda.Funktsionaalsuse värskendamise võimalus pärast tarnimist,osaline ümberkonfigureerimineosa kujundusest^[17]ja madalad ühekordsed insenerikulud võrreldes ASIC-projektiga (olenemata üldiselt kõrgemast ühikuhinnast) pakuvad eeliseid paljude rakenduste jaoks.^[1]

Mõnel FPGA-l on lisaks digitaalsetele funktsioonidele ka analoogfunktsioonid.Kõige tavalisem analoogfunktsioon on programmeeritavpöörde kiirusigal väljundtihvtil, võimaldades inseneril seada madalad määrad kergelt koormatud kontaktidele, mis muidu toimiksidringvõipaarvastuvõetamatult ja seada kõrgemad määrad tugevalt koormatud kontaktidele kiirkanalitel, mis muidu töötaksid liiga aeglaselt.^[18][19]Levinud on ka kvarts-kristallostsillaatorid, kiibil olevad takistus-mahtuvusostsillaatorid jafaasilukuga silmusedkoos manustatudpingega juhitavad ostsillaatoridkasutatakse kella genereerimiseks ja haldamiseks, samuti kiire jada-deserialiseerija (SERDES) edastamiseks ja vastuvõtja kella taastamiseks.Üsna tavalised on erinevadkomparaatoridsisendkontaktidel, mis on mõeldud ühendamiseksdiferentsiaalsignalisatsioonkanalid.Mõni "segatud signaalFPGA-del on integreeritud välisseadeanaloog-digitaalmuundurid(ADC-d) jadigitaal-analoogmuundurid(DAC) analoogsignaali konditsioneerimisplokkidega, mis võimaldavad neil töötada asüsteem-kiibil(SoC).^[20]Sellised seadmed hägustavad piiri FPGA vahel, mille sisemisel programmeeritaval ühenduskangal on digitaalsed ühed ja nullid, javäljal programmeeritav analoogmassiivi(FPAA), mis kannab analoogväärtusi oma sisemisel programmeeritaval ühenduskangal.

Loogikaplokid[muuda]

Peamine artikkel:Loogikaplokk

Loogikalahtri lihtsustatud illustratsioon (LUT –Otsingu tabel, FA –Täielik lisaja, DFF –D-tüüpi plätud)

Kõige tavalisem FPGA arhitektuur koosneb massiivistloogikaplokid(nimetatakse konfigureeritavateks loogikaplokkideks, CLB-deks või loogikamassiiviplokkideks, LAB-deks, olenevalt tarnijast),I/O padjadja marsruutimiskanalid.^[1]Üldiselt on kõik marsruutimiskanalid sama laiusega (juhtmete arv).Massiivi ühe rea kõrgusele või ühe veeru laiusele võib mahtuda mitu I/O-plaati.

„Rakendusahel tuleb kaardistada piisavate ressurssidega FPGA-sse.Kuigi vajalike CLB-de/LAB-ide ja I/O-de arv on disainist hõlpsasti määratav, võib vajalike marsruutimisradade arv märkimisväärselt erineda isegi sama loogikaga disainilahenduste puhul.(Näiteks aristtala lülitinõuab palju rohkem marsruutimist kui asüstoolne massiivsama väravate arvuga.Kuna kasutamata marsruutimisrajad suurendavad osa maksumust (ja vähendavad jõudlust) ilma mingit kasu toomata, püüavad FPGA tootjad pakkuda täpselt piisavalt radu, et enamik disainilahendusi, mis sobivadotsingutabelid(LUT-d) ja I/O-d võivad ollasuunatakse.See määratakse selliste hinnangutega nagu need, millest tuletatakseÜüri reegelvõi katsetades olemasolevaid kujundusi.^[21]2018. aasta seisugavõrk-kiibilArendatakse marsruutimise ja vastastikuse ühendamise arhitektuure.^{[tsitaat vaja]}

Üldiselt koosneb loogikaplokk mõnest loogilisest lahtrist (nimetatakse ALM, LE, slice jne).Tüüpiline rakk koosneb 4-sisendist LUT-st, atäielik liitja(FA) ja aD-tüüpi plätud.Need võib jagada kaheks 3-sisendiga LUT-iks.sissetavaline moodneed ühendatakse läbi esimese 4-sisendiga LUT-iksmultiplekser(mux).sissearitmeetikarežiimis, suunatakse nende väljundid summarisse.Režiimi valik on programmeeritud teise muxi.Väljund võib olla ükskõik millinesünkroonnevõiasünkroonne, olenevalt kolmanda muksi programmeerimisest.Praktikas on kogu liitja või selle osadfunktsioonidena salvestatudsäästmiseks LUT-idesseruumi.^[22][23][24]

Kõvad klotsid[muuda]

Kaasaegsed FPGA perekonnad laiendavad ülaltoodud võimalusi, et hõlmata kõrgema tasemega funktsioone, mis on fikseeritud ränis.Nende ühiste funktsioonide vooluringi sisseehitamine vähendab vajalikku pindala ja annab neile funktsioonidele suurema kiiruse võrreldes nende loomisega loogilistest primitiividest.Nende näidete hulka kuuluvadkordajad, üldineDSP plokid,sisseehitatud protsessorid, kiire I/O loogika ja sisseehitatudmälestusi.

Kõrgema taseme FPGA-d võivad sisaldada suurt kiirustmitme gigabitised transiiveridjakõvad IP-südamikudnagu näiteksprotsessori tuumad,Ethernet keskmised juurdepääsu juhtimisseadmed,PCI/PCI Expresskontrollerid ja välismälu kontrollerid.Need südamikud eksisteerivad kõrvuti programmeeritava kangaga, kuid need on üles ehitatudtransistoridLUT-de asemel, nii et neil on ASIC-taseesitusjaenergiatarvekulutamata märkimisväärsel hulgal kangaressursse, jättes rohkem kangast vabaks rakendusespetsiifilise loogika jaoks.Mitmegigabitised transiiverid sisaldavad ka suure jõudlusega analoogsisendi ja väljundi vooluringe ning kiireid jada- ja deserialisaatoreid – komponente, mida ei saa LUT-idest välja ehitada.Kõrgema taseme füüsilise kihi (PHY) funktsionaalsus, näiteksrida kodeerimineOlenevalt FPGA-st võib, kuid ei pruugi olla rakendatud kõrvuti serialisaatorite ja deserialiseerijatega kõvas loogikas.