Mavzu: Dasturlashtiriladigan mantiqiy matritsalar Dasturlashtiriladigan mantiqiy massiv (pla)

V. Yudintsev .
Dasturlashtiriladigan mantiqiy qurilmalar. Nima yangilik, nima eskirgan, nimani kutish kerak?
to'liq PDF formatida yuklab oling (382,1 Kb)
Ko'rishlar: 2092
Ilovaga xos integral mikrosxemalar (ASIC) so'nggi yillarda global yarimo'tkazgichlar bozori kuzatuvchilarining diqqatini tortdi. U deyarli bir-biridan mustaqil ravishda rivojlanadigan turli xil mikrosxemalarni taqdim etadi. Dasturlashtiriladigan mantiqiy IC (FPGA) ning tez o'sib borayotgan sektori katta qiziqish uyg'otadi, ular bozordan eshik massivlarini tobora siqib chiqarmoqda. Bozordagi eng issiq mahsulotlar yuqori komponent zichligi (ishlatilayotgan 100 000 dan ortiq eshiklar), o'rnatilgan xotira va chip ustidagi tizim yadrosi (protsessor, kontroller yoki signal protsessor) bilan dastlabki bosqichdagi MOS FPGA'lardir. Va kerakli qurilmani tezda sozlash (va endi qayta sozlash) qobiliyati uchun qo'shimcha to'lash kerak bo'lishiga qaramay, apparat ishlab chiquvchilari nihoyat FPGAlar nafaqat foydali ekanligini tushunishdi - ular zarur. 2001-yil oktabr oyida San-Xose shahrida boʻlib oʻtgan mikroprotsessorlar forumi dasturiga FPGAlarga bagʻishlangan boʻlimning kiritilgani shundan dalolat beradi.
ASOSIY TRENDLAR
iSuppli prognoziga ko'ra , yuqori texnologiyali mahsulotlarga talabning pasayishiga olib kelgan global retsessiya ta'sirida, birinchi navbatda AQShda, 2001 yilda FPGA savdosi 2000 yil darajasiga nisbatan 34,1% ga kamayishi kerak edi. 4,1 mlrd. dollarni, 2002 yilda esa 3,5% ga (2,6 mlrd. dollargacha). 2004 yilda savdo hajmi 15,5 foizga oshib, 3,5 milliard dollarni tashkil etadi, 2005 yilda esa 4 milliard dollardan (14,5 foiz) oshadi. Dataquest prognozi yanada optimistik: 2004 yildagi sotuvlar 2000 yildan 8,7 milliard dollargacha ikki baravar ko'payadi.FPGA sotuvchilari duch kelgan barcha qiyinchiliklarga qaramay, bunday prognozlar uchun mantiqiy asos. Birlik (darvoza nuqtai nazaridan) FPGA narxining pasayishi va foydalanilgan eshiklar soni ortishi bilan * FPGAlar eshik massivlarining "hududiga" tobora ko'proq kirib bormoqda, endi esa ASIC. Bu, birinchidan, mantiqiy eshiklar sonining uzluksiz ko'payishi chipga alohida mantiqiy IC va xotira davrlari tomonidan bajariladigan ko'plab funktsiyalarni "yig'ish" imkonini berishi va shu bilan quvvat sarfini kamaytirish bilan tezlik va ishonchlilikni oshirishi bilan izohlanadi. , o'lchamlari va yakuniy tizimning narxi. Va, ikkinchidan, konfiguratsiya (va qayta konfiguratsiya) qulayligi tufayli dizayndagi so'nggi o'zgarishlarga tezda javob berish va paydo bo'lgan g'oyalarni to'liq amalga oshirilgunga qadar prototiplarda sinab ko'rish mumkin bo'ldi - bularning barchasi mahsulotni ishlab chiqarishga kechiktirmasdan etkazib berishdan oldin. bozor. IC Insights mutaxassislari tomonidan aniqlanganidek , FPGAlar yuqori darajadagi mantiqiy qurilmalarga birlashtirilishi mumkin bo'lgan bir yoki bir nechta kalit matritsalarni o'z ichiga olgan mantiqiy sxemalardir. Ba'zilarini bir marta o'rnatilgan eruvchan anti-o'tish moslamalari bilan dasturlash mumkin ( yuqori empedansli ulanishlar "eritish" natijasida past empedansga aylanadi ), boshqalari EEPROM (eng oddiy FPGA) kabi dasturiy ta'minot yoki apparat yordamida qayta dasturlanishi mumkin. 20 mingdan ortiq darvoza), SRAM (taxminan 106 eshik), flesh xotira. FPGA ning uchta asosiy turi mavjud: aslida dasturlashtiriladigan eshik massivlari - oddiy va murakkab (FPGA / PLA va C FPGA); foydalanuvchi tomonidan programlanadigan (FPGA); o'rnatilgan dasturlashtiriladigan mantiqiy yadrolar. Yirik FPGA ishlab chiqaruvchilari: Xilinx (1999 yildagi umumiy savdoning 34%), Altera (32%), Lattice Yarimo'tkazgich (16%), Actel (7%). Amerika firmalarining ushbu bozordagi yetakchiligi ularning ishlab chiqarilayotgan mahsulotlarga patent muhofazasining murakkab tizimi bilan izohlanadi. Ehtimol, kelajakda ular bilan faqat bugungi ishlab chiqaruvchilarning qo'shma kompaniyalari raqobatlasha oladi.
1999 yilgacha, Xilinx birinchi bo'lib 0,18 mikron topologik me'yorlarga ega Virtex -E oilasining sanoat namunalarini jo'natganida, FPGAlar bozorga chiqarilgan DOZU chiplari, mikroprotsessorlari va ASIC-lardan ikki yoki uch avlod orqada edi. texnologiya. Ammo etakchi FPGA ishlab chiqaruvchilari (masalan, Altera va Xilinx ) va yarimo'tkazgich ishlab chiqaruvchilari ( ta'sischilar ) o'rtasidagi aloqalarni eng zamonaviy texnologiyalar va uskunalar (TSMC va UMC) bilan mustahkamlash tufayli bugungi kunda FPGAlar istiqbolli texnologiyalarni rivojlantirishning umumiy tendentsiyalariga aniq amal qilmoqdalar. . To'g'ri, shuni ta'kidlash kerakki, istiqbolli FPGA-larda ishlatiladigan eshiklar soni bozorda keng tarqalgan dizaynlarga qaraganda 15 baravar ko'p bo'lishi mumkin (jadvalga qarang). 0,13 mikrondan kam standartlarga ega bo'lgan dasturlashtiriladigan qurilmalar va mis ulanishlar allaqachon yaratilgan. Va agar ushbu qurilmalarning ta'minot kuchlanishi uzoq vaqt davomida 5 V ga teng bo'lsa , endi keyingi avlodga o'tishda u doimo pasayadi (masalan, Virtex - E oilasining mikrosxemalarining besleme kuchlanishi allaqachon 1,8 V ga teng). .
Boshqa yirik yarimo'tkazgich firmalari singari, FPGA ishlab chiqaruvchilari ham o'z mahsulotlarining birlik narxini (eshik nuqtai nazaridan) pasaytirish bo'yicha agressiv siyosat olib bormoqdalar: agar 1993 yilda FPGAlar eshik massivlariga qaraganda 12,5 baravar qimmatroq bo'lsa, 2001 yilda ular faqat ikki baravar qimmatroq edi. qimmat.. Bunga nafaqat texnologiyani takomillashtirish, balki kristall hajmini kamaytirish (masalan, pog'onali prokladkalarni qo'llash natijasida - QuickLogic ) va "simli" tuzilmalarga o'tishda foydalanish ham yordam beradi. keng ko'lamli ishlab chiqarish.
Hozirgacha yuborilgan FPGAlar asosan "sof" dasturlashtiriladigan mantiqiy qurilmalardir. Ammo elementlarning zichligi, quvvati, tezligi va narxining optimal kombinatsiyasini olishning abadiy muammosini hal qilish uchun FPGA va ASIC ishlab chiquvchilari dasturlashtiriladigan mantiqiy qurilmalar bilan birlashtirilgan ASIC-lar asosida "gibrid" mikrosxemalarni yaratishni boshlaydilar. Va nafaqat ular. Gibrid IC'larni standart elementlar, tarmoq protsessorlari ishlab chiqaruvchilari va boshqalar bo'yicha ASIC sotuvchilari portfellarida topish mumkin . Bugungi kunda FPGA ishlab chiquvchilari o'z mahsulotlarini eshiklar soni bo'yicha ASIC bilan solishtirish mumkinligini da'vo qilmoqdalar: 0,18 va 0,15 mikronli texnologiyalardan foydalangan holda ishlab chiqarilgan mikrosxemalarga 2-3 milliongacha eshiklarni joylashtirish mumkin, standartlar - 10 million (soni 0,18 mikronli standartlarga ega ASICdagi klapanlar - 7-8 million). Shundaymi? Ikkala turdagi dasturlashtiriladigan chiplardan foydalanadigan mijozlar FPGA-da e'lon qilingan eshiklar soni etti dan sakkiz martagacha bo'linishi kerakligini ta'kidlaydilar. Shunday qilib, ASIC va FPGA-dagi eshiklar sonining nisbati 10: 1 ni tashkil qiladi. Ammo FPGA ishlab chiqaruvchilarining fikriga ko'ra, chipdagi elementlarning zichligi oshgani sayin, ishlab chiquvchilarning o'zboshimchalik mantiqqa asoslangan qurilmalarni loyihalashga qiziqishi kamayadi. Altera hisob -kitoblariga ko'ra, 0,13 mkm dizayn kodiga ega ASIC uchun qo'shimcha muhandislik xarajatlari (NRE) 750 000 AQSh dollari (ASIC ishlab chiqaruvchisi Fujitsu ma'lumotlariga ko'ra 300 000 AQSh dollari) ni tashkil qiladi. Faqat katta ishlab chiqarish hajmlari va kamida yuz minglab mahsulot partiyalarini etkazib berish bunday xarajatlarni qoplashi mumkin. 300 mm diametrli qo'shimchalarga o'tish bu muammoni yanada kuchaytiradi. Shu bilan birga, 100 000 ta eshikli FPGAlarning partiyasi 100 000 ta mahsulotga etadi va 400 000 ta eshikli FPGAlarning sotib olingan partiyalari hajmi o'n mingga etadi va ko'plab mijozlar 100 000 ta chipli partiyalarni sotib olishni rejalashtirmoqda.
Istiqbolli texnologiyalar narxining oshishi tizimlarning ixtisoslashuvining o'sishi va ularni qo'llash sohalarining "siqilishi" bilan birga bozorga chiqarilgan mahsulotlar parametrlariga yanada qattiqroq talablarni qo'yadi. Bu foydalaniladigan eshiklar sonining ko'payishi, FPGA-larning funksionalligini kengaytirish, standartlashtirish talablari va bozorga chiqish vaqtini qisqartirish bilan bir qatorda, FPGA-larda o'zimizning dizaynimiz yoki boshqa kompaniyaning ishlab chiqilgan bloklaridan foydalanishni rag'batlantiradi. (uchinchi tomon), ular intellektual mulk bloklari - tipik funktsional IClar - (IP bloklari). IP bloki dasturiy ta'minot ( yumshoq ) yadro* yoki o'rnatilgan dasturlashtiriladigan apparat ( qattiq ) yadro** bo'lishi mumkin, bu mijoz tomonidan talab qilinadigan ko'plab funktsiyalarni amalga oshirish imkonini beradi. Yumshoq yadrolar chipning turli qismlarida joylashgan bo'lishi mumkin va joylashuvga qarab, ular taqdim etadigan tezlik va vaqt 50% ga o'zgarishi mumkin. Bundan tashqari, ular apparat yadrolariga qaraganda kattaroq maydonni egallaydi. Umuman olganda, yumshoq yadrolar ishlash jihatidan apparat yadrolaridan pastroq, ammo, qoida tariqasida, ular bozorda oldinroq paydo bo'ladi. Ular ko'plab kompaniyalar tomonidan ishlab chiqariladi va foydalanuvchilarning maxsus talablariga javob berish uchun osongina o'zgartiriladi. Bundan tashqari, chipdagi eshiklar zichligi oshishi bilan yadroni amalga oshirish uchun zarur bo'lgan maydon kamayadi. Altera mutaxassislarining fikriga ko'ra , yumshoq yadroli FPGA ishlab chiqarish, agar bunday yadro chip maydonining 50% dan kamini egallasa, iqtisodiy jihatdan oqlanadi. Shuning uchun kelajakda ishlatiladigan 2 va 4 million eshiklari bo'lgan yuqori zichlikdagi FPGAlar MPEG-2 kodlovchi (o'lchov maydonining 43% ni egallaydi) va sakkiz portli 622 MGts ATM (40% ) funktsiyalarini amalga oshirishi mumkin. maydoni), mos ravishda.
Kerakli parametrlarning optimal kombinatsiyasi bilan murakkab arxitektura FPGA-larining chiqarilishi dasturiy ta'minotni loyihalash tizimlariga juda bog'liq bo'lib, ular "qo'lda operatsiyalar" ni minimal darajada kamaytirishi kerak. Kerakli qurilmalarni yaratish va ularni o'z vaqtida bozorga chiqarish uchun ketadigan vaqtni qisqartirish uchun ko'plab ishlab chiquvchilar VHDL, Verilog kabi yuqori darajali tillardan yoki hatto umumiy maqsadli an'anaviy dasturlash tillaridan foydalangan holda dizaynga o'tmoqdalar, masalan. C.
FPGA sanoati nisbatan yosh bo'lsa-da, u juda ko'p qirrali. Savdo bozorlari uchun kurashayotgan ishlab chiqaruvchilar takomillashtirilgan arxitektura, o'rnatilgan dasturlash vositalari va eng muhim parametrlarning turli kombinatsiyalariga ega noyob mikrosxemalarni ishlab chiqaradilar. Bu esa mijozga mos qurilmani tanlashni qiyinlashtiradi, garchi ushbu qurilmalarning yetakchi yetkazib beruvchilari o'z mahsulotlarini faol ravishda "de-fakto" standartlashtirmoqda. Uskuna dizaynerlari esa boshqa ishlab chiqaruvchilarning mahsulotlaridan farq qiluvchi maxsus mahsulotlarni yaratish uchun dasturlashtiriladigan mantiqning moslashuvchanligidan foydalanadilar. FPGA ning u yoki bu turini tanlashda nimaga e'tibor berish kerak?

FPGA
Xilinx 1984-yilda birinchi FPGA-ni chiqarganidan beri dasturlashtiriladigan qurilmalar oddiy "qo'shimcha" mantiqdan tizim prototiplariga va murakkab tizimlar uchun FPGA platformalariga aylandi. Eng kattasi FPGA ishlab chiqaruvchilari - Xilinx, Altera, Actel , Agere Systems ( sobiq Lucent Technologies), Atmel, QuickLogic , Triscend .

Xilinx - ning asosiy FPGA bloklari, ular asosida mijozning mantiqiy qurilmalari amalga oshiriladi, sozlanishi mumkin bo'lgan mantiqiy blok (CLB), kirish / chiqish (I / U) bloklari va iz bloklari. CLB - qidiruv jadvallari (LUT) va registrlar yordamida amalga oshirilgan elementlarning (funktsiya generatorlari, operativ xotira, registrlar) kombinatsiyasi - birinchi FPG paydo bo'lganidan beri deyarli o'zgarmadi. Ammo mantiqiy hujayralar va tashqi qurilmalar yillar davomida, birinchi navbatda, LUT va registr integratsiyasi darajasini oshirish orqali yaxshilandi. Kirishlar soni arxitekturaga qarab ikkidan toʻrttagacha oʻzgarib turadigan LUT elementlarining maqsadi ikki-toʻrt kirish uchun kerakli funksiyani taqlid qilishdir. Kompaniyaning aksariyat FPGA-lari mantiqiy qurilmani dasturlash uchun SRAM-dan foydalanadi, garchi Xilinx o'tishga qarshi FPGA- lar bilan biroz noz-karashma qilgan bo'lsa-da . Firmaning FPGA dizaynini qo'llab-quvvatlash VSIA Virtual Alliance asboblar to'plami tomonidan taqdim etiladi. Bundan tashqari, kompaniya loyihalash, ishlab chiqarish yoki foydalanish jarayonida
chiplarni dasturlash va qayta dasturlashni qo‘llab-quvvatlovchi Java tiliga asoslangan dasturiy vositalar portfelini ishlab chiqdi . Ko'p yillik FPGA ishlab chiqish va ko'p sonli foydalanuvchilarning fikr-mulohazalari natijasi bo'lgan XC4000 seriyali chiplari maxsus CMOS VLSI afzalliklariga ega, ammo ularning kamchiliklari, masalan, yuqori NRE, uzoq rivojlanish tsikli va an'anaviy chiplarga xos bo'lgan xavflardan xoli. niqob bilan dasturlashtirilgan darvoza massivi. Oilaning mikrosxemalarida ikkita to'rt kirishli LUT , uchta kirish LUT va ikkita registr mavjud. Mantiqiy yacheykalarga yaqin joylashgan ko'p sonli FRAMlar tizim konfiguratsiyasi, boshqaruvi va holat vazifalarini samarali bajaradi. Ularga qo'shimcha ravishda, mikrosxemalarda maxsus RAM bloklari mavjud. Ushbu oilaning texnologiyasi doimiy ravishda takomillashtirildi va bugungi kunda bozorda XC4000XLA / XV FPGA turlari mos ravishda 0,35 va 0,25 mikron CMOS texnologiyasi bo'yicha besh qatlamli metallizatsiya bilan ishlab chiqariladi. Ushbu mikrosxemalarning maksimal eshiklari soni 500 mingga etadi, mantiqiy funktsiyalarni amalga oshirish uchun 250 minggacha eshiklar , sinxron SRAMni amalga oshirish uchun 270848. Mantiqiy qurilmalarning besleme kuchlanishi 2,5 V , alohida 3,3 V manba FPGA quvvati. iste'mol oldingi avlod matritsalariga nisbatan mos ravishda 40% va 65% ga kamayadi.
Matritsalar arxitekturasini takomillashtirishda muhim yutuq Virtex FPGA seriyasidir, uning CLB to'rtta to'rtta kirish LUT va to'rtta registrning kombinatsiyasini o'z ichiga oladi . Ushbu seriyali mikrosxemalar yuqori tezlikda moslashuvchan I / U buferlari bilan ta'minlangan , ular tashqi SRAM va RAM bilan interfeysni ham ta'minlaydi. Bugungi kunda Virtex - E va Virtex -EM oilasining ikkinchi avlod chiplari bozorda yuqori samarali tarmoqni almashtirish (tarmoqni uzatish tezligi 160 Gb / s gacha) va video grafik tizimlari uchun mo'ljallangan. Bu FPGA-larda birinchi avlod mantiqiy katakchaning strukturasi o'zgartirilmagan, ammo eshiklar sonining eksponentsial o'sishi tufayli SRAM bloki sezilarli darajada kengaytirilgan. Virtex - E qurilmalaridagi mantiqiy hujayralar soni 40 000 dan oshadi. I / V chip bloki 3,3 V da PCI interfeyslari (32/64 bit, 33/66 MGts) bilan to'liq mos keladi. Mantiqiy eshiklar va xotira xujayralari uchun besleme kuchlanishi 1 .8 V. Sxemalar olti qatlamli metallizatsiya bilan 0,18 mkm CMOS texnologiyasi yordamida amalga oshiriladi. FPGA texnologiyasida birinchi marta mis ikkita yuqori metallizatsiya qatlamini hosil qilish uchun EM mikrosxemalar oilasida qo'llaniladi. Har bir Virtex - E seriyali FPGA qayta sozlanishi mumkin. Qisman qayta konfiguratsiya ham mumkin, ya'ni qurilmaning bir qismini o'zgartirish, qolgan qismining ishlashini saqlab qolish.
Virtex seriyali FPGAlar ilg'or Spartan II va Virtex II oilalarining asosini tashkil qiladi . Spartan II oilasi beshta chipni o'z ichiga oladi, foydalanilgan eshiklar soni 50-300 ming (~7 ming mantiqiy hujayragacha). Oilaning mikrosxemalari RAM bloklari (bir yoki ikkita port , 64 Kbit / s gacha) va dasturlashtiriladigan kiritish-chiqarish bloklari bilan o'ralgan CLB-lar bilan muntazam moslashuvchan arxitekturaga ega. Taqsimlangan RAM (sig'imi 96 Kb gacha) ham bitta yoki ikkita port bo'lishi mumkin . Soat impulslarining egrilik va kechikish muammolarini bartaraf etish uchun kristallning har bir burchagida avtomatik kechikishlarni sozlash tizimi - DLL (1-rasm) joylashgan. Chiplar 19 ta kiritish-chiqarish standartlarini (ularning ba'zilari bir vaqtning o'zida) ishlay oladi va 3,3V PCI (64bit/66MHz) bilan mos keladi. Chiplar olti qatlamli metallizatsiya bilan 0,18 mikronli CMOS texnologiyasi bo'yicha ishlab chiqarilgan. Ularning narxi $5,25 dan $19,45
gacha.Virtex II seriyali chiplari IP bloklari va moslashtirilgan modullardan foydalanish imkoniyatini beradi. Ular telekommunikatsiya tizimlarining yuqori samarali qurilmalarini, simsiz va tarmoq aloqalarini , video uskunalarini, raqamli signallarni qayta ishlash uskunalarini shakllantirish uchun mo'ljallangan. Oila sakkiz qatlamli metallizatsiya (shu jumladan mis) bilan 0,15-/0,12 mkm CMOS texnologiyasidan foydalangan holda tayyorlangan va 40 mingdan 10 milliongacha eshiklarni o'z ichiga olgan 12 mikrosxemani o'z ichiga oladi. LUT va registrlarning yangi ikki barobar (sakkiztagacha) soniga ega CLBga qo'shimcha ravishda, mikrosxema arxitekturasi (2-rasm) 1 s to'planishi bilan 6.1011 sakkiz bitli ko'paytirish operatsiyalarini bajaradigan 18 bitli tezkor multiplikatorni o'z ichiga oladi. FPGA seriyasining narxi (8 va 10 million eshikli chiplardan tashqari) 13,25-18,34 dollarni tashkil etadi.Huquqiy
sabablarga ko'ra va o'z mahsulotlarining raqobatbardoshligini saqlab qolish maqsadida, Altera hech qachon ishlab chiqarilgan FPGA FPGA-larni chaqirmaydi, garchi butun dunyo bu haqda gapirsa ham. ularni bu sinfga. Ushbu firma topologik standartlarning agressiv qisqarishi va "LUT-ga asoslangan dasturlashtiriladigan mantiqiy qurilmalar" deb ataladigan ishlab chiqarishda mis qoplama texnologiyasini ishlab chiqish bilan tavsiflanadi. Buning dalili 30 000 dan 1,5 milliondan ortiq (113 000-2,3 million tizim klapanlari) bo'lgan APEX 20K oilasidir. 0,15 mkm CMOS texnologiyasidan foydalangan holda ishlab chiqarilgan APEX 20KS seriyali mikrosxemalari alohida qiziqish uyg'otadi, ularning sakkiz qatlamli metallizatsiyasi birinchi marta to'liq misga asoslangan. Seriyali chiplarning
MultiCore arxitekturasida uch turdagi funktsional bloklar amalga oshiriladi : LUTlar, birlashtiruvchi bloklar va yaxshilangan o'rnatilgan xotira bloklari. Ushbu bloklarni sozlash uchun 2048 ta dasturlashtiriladigan element o'rnatilgan tizim blokiga (ESB) kiritilgan - MultiCore arxitekturasining "yuragi". Arxitektura mantiqiy matritsalar bloklari (LAB) tomonidan tuzilgan bo'lib, ularning har biri 20 ta mantiqiy elementni o'z ichiga oladi. Mahalliy yordam bilan 16 LAB o'zaro bog'lanishi ESB bilan MegaLAB ierarxik tuzilishiga birlashtirilgan (3-rasm). Ushbu arxitektura kompleksni birlashtirishni osonlashtiradi megafunksiyalar va dasturlashtiriladigan chipda tizim yaratish.
2001 yilning 3-choragida mantiqiy elementlar soni 16,64 mingdan 89,287 minggacha va ESBda sotilgan xotira hajmi 416K dan 1,45 Mbit/s gacha bo'lgan APEX II oilasi chiplari ishlab chiqarildi. Ushbu oilaning mikrosxemalarining paydo bo'lishi uzatish tezligi 1 Gbit / s bo'lgan aloqa uskunalari uchun qurilmalarni amalga oshirish yo'lidagi muhim qadamdir . 2001 yil oxirida TSMC mijozlarga Altera bilan 0,13 mikron toʻliq mis texnologiyasida
ishlab chiqilgan 33 ta APEX II EP2A70 seriyali chiplarini yetkazib berdi . Altera kompaniyasining FPGA asosidagi murakkab qurilmalarni ommaviy ishlab chiqarishni rivojlantirishda xarajatlarni kamaytirish muammosini hal etishi alohida qiziqish uyg'otadi . FPGA ko'pincha ommaviy ishlab chiqarish uchun juda qimmat deb hisoblangan dizaynlarni tezda loyihalash uchun ishlatiladi. Ushbu dizaynlar standart hujayralar yoki darvoza massivlari asosida ASIC-larga o'tkaziladi. Altera tomonidan taklif qilingan HardCopy texnologiyasi dizaynni uzatish jarayonini tezlashtirish va uni ommaviy ishlab chiqarishni o'zlashtirish xarajatlarini kamaytirish imkonini beradi. Shuni ta'kidlash kerakki, Xilinx 1999 yilda "simli" sxemalarni yaratishga o'xshash yondashuvdan voz kechdi - HardWire , FPGA'larni ishlab chiqish xarajatlarini kamaytirishga e'tibor qaratdi. Xilinx bu qarorni FPGA-lar murakkablashgani va shunchaki mantiqiy eshiklardan ko'proq foydalanishi sababli, FPGA-ni darvoza massivida yoki boshqa turdagi ASIC-da aniq takrorlash tobora qiyinlashib borayotgani bilan izohladi. Shunga qaramay, Altera mutaxassislarining fikriga ko'ra , ular bu muammoni muvaffaqiyatli hal qilishga muvaffaq bo'lishdi.
HardCopy dasturi qurilmaning butun strukturasini saqlab qolgan holda niqobli dasturlashtiriladigan sxemalarga silliq o'tishni ta'minlaydi , kuzatuv sxemasidan tashqari. Oltita metallizatsiya qatlamidan foydalanish ko'zda tutilgan: to'rtta - konfiguratsiya va ulanishlarni shakllantirish uchun, ikkitasi - quvvatni taqsimlash va kontakt postlari matritsasini joylashtirish uchun. Nisbatan qisqasi uchun rahmat o'zaro bog'lanishlar va ortiqcha ulanishlarni yo'q qilish, FPGA ishlashini 30% ga oshirish mumkin (garchi bu ko'rsatkich dizaynga bog'liq bo'lsa ham). HardCopy versiyasida o'rnatilgan o'z-o'zini testlar, skanerlash sxemalari va avtomatlashtirilgan test dasturi generatorlari qo'llaniladi. Kuzatuv jarayonining oxirida vaqtlar sinchkovlik bilan tekshiriladi va kamdan-kam hollarda asl nusxadan chetga chiqsa, ular tuzatiladi. Natijada, FPGA-dan ASIC-ga o'tish va uni tasdiqlash uchun ikki-uch hafta, prototip yaratish uchun taxminan besh hafta, prototipni disk raskadrovka qilish uchun bir-ikki hafta va ishlab chiqarishga kirish uchun sakkiz hafta kerak bo'ladi. Hammasi bo'lib, dasturlashtiriladigan matritsani ASIC-ga
aylantirish tsikli - ishlab chiqarishni o'zlashtirish 16-18 hafta davom etadi. HardCopy usuli , ishlab chiquvchilarning fikriga ko'ra, kristallning ixtisoslashtirilgan sxemasi egallagan maydonini 70% ga va demak, uning narxini kamaytirishga imkon beradi. Agar 0,13 mikronli topologik me'yorlar va olti qatlamli metallizatsiyaga ega ASIC-larni ishlab chiqishda NRE 1 million dollardan oshsa, APEX II oilasi chiplarining "qattiq nusxasi" uchun ular 300 000 dollardan oshmaydi. ASIC-ga FPGA mijozning ishtirokisiz sodir bo'ladi va u qo'shimcha xarajatlarni talab qilmaydi. Endi kompaniya HardCopy’ni APEX 20KE, APEX 20KC, APEX II seriyali chiplari asosidagi qurilmalar variantlarini taqdim etishga tayyor. Alteraning fikricha, HardCopy mahsulotlari kelgusi bir necha yil ichida uning daromadining 10 foizini tashkil qiladi. Bugungi kunda bunday mahsulotlarning mijozlaridan biri Extreme hisoblanadi Tarmoqlar - yangi kalitda APEX matolariga asoslangan
oltita niqobli dasturlashtiriladigan ASIC-dan foydalanadi. Dasturlash uchun SRAM-da saqlangan ma'lumotlardan foydalanadigan Xilinx va Altera - dan farqli o'laroq , Actel va QuickLogic eriydigan anti -o'tish moslamalarini afzal ko'radi . Ushbu texnologiya sizga past empedans yaratish imkonini beradi parazitar sig'imning past qiymatlari bilan o'zaro bog'lanishlar , ya'ni. tezlikni oshirish va quvvat sarfini kamaytirish imkonini beradi, shuningdek, boshqa konfiguratsiya usullariga qaraganda ko'proq radiatsiya qarshiligini ta'minlaydi. Dasturlashtiriladigan konfiguratsiya FPGA anti -o'tish moslamalarini o'zgartirish yoki klonlash deyarli mumkin emas. Actel mahsulotlariga 3,3V ( SX seriyali), 2,5V
( Sx -A va eX ) va 5V (MX) FPGAlar kiradi. SX oilasining mikrosxemalarida anti-sakrash moslamalari mantiqiy elementlar ustidagi metallizatsiya qatlamlari orasida joylashgan bo'lib, bu kristalning faol maydonidan samarali foydalanish imkonini beradi (4-rasm).
O'tishga qarshi FPGA ni sozlash uchun zarur bo'lgan yuqori kuchlanish tufayli chipni dasturlash plataga o'rnatishdan oldin amalga oshiriladi va qurilmani qayta sozlash mumkin emas. Actel Gatefield va uning ProASIC integratsiyalangan flesh chiplari oilasini sotib olish orqali bu muammoni hal qildi . Qurilmaning yadrosida "plitalar" dengizi mavjud bo'lib, ularning har biri flip-flop, mandal yoki har qanday uchta kirish/bir chiqish mantiqiy eshik sifatida sozlanishi mumkin ( uchtasidan tashqari). -Va kiritish ). 2002 yil boshida kompaniya ushbu oilaning ikkinchi avlod chiplari - 150 ming-1 million tizim shlyuzlari va 36K-198 Kbit RAMga ega ProASICPLUS chiqarilishini e'lon qildi. Ularning soat chastotasi 100 MGts ga etadi. Mikrosxemalarning yangi seriyasining ahamiyati FPGA va ASIC dasturlash vositalaridan foydalanish imkoniyatidadir, bu ularga sanoat tizimlari va aloqa tizimlari bozorlariga kirish imkonini beradi . APA750 va APA1000 tipidagi sxemalar hozirda mos ravishda 750 000 (199 dollar) va 1 million (399 dollar) tizim eshiklari bilan jo'natiladi. Seriyaning qolgan mikrosxemalari joriy yilning ikkinchi choragida paydo bo'lishi kerak va ommaviy xaridlarda 150 000 eshikli qurilmaning narxi 20 dollardan oshmaydi
QuickLogic FPGA -lar o'tishga qarshi vositalar yordamida dasturlashtirilgan . ViaLink darvoza massivining tepasida joylashgan. Firma ASIC elementlari bilan FPGAlarni faol rivojlantirmoqda. Uning pASIC 2 va 3 oilalari ikkita olti kirishli VA eshiklari , to'rtta ikkita kirishli VA eshiklari, bir nechta multiplikatorlar va D tipidagi flip- flopni o'z ichiga olgan mantiqiy katakchadan foydalanadi . Hujayra kirishlarining ko'pligi tufayli boshqa tuzilmalarda bir nechta mantiqiy katakchalarni talab qiladigan funktsiyalarni amalga oshirish mumkin va ko'plab chiqishlar bitta hujayrada bog'liq bo'lmagan mantiqiy funktsiyalarni amalga oshirishga imkon beradi va shu bilan kristall maydonidan foydalanishga imkon beradi. maksimal samaradorlik. pASIC oilasining FPGA-lari o'rnatilgan standart qurilmalarning yangi seriyasining asosini tashkil etdi. standart Mahsulotlar - ESP) o'rnatilgan RAM bloklari, 2,5 Gb / s gacha ma'lumotlarni uzatish tezligini qo'llab-quvvatlaydigan ixtisoslashtirilgan kodlovchilar / dekoderlarning PCI yadrolaridan foydalanadigan optik tolali tarmoqlar uchun kompaniyalar.
FPGA bozoridagi vaziyatni hisobga oladigan bo'lsak, o'rnatilgan protsessor yadrolari bo'lgan mahsulotlarni chiqarish tendentsiyasidan qochib bo'lmaydi ( o'zi yoki uchinchi tomon tomonidan). Xilinx IBM ning PowerPC yadrosini va ARM Holdings va MIPS Technologies dan Altera litsenziyali mikroprotsessor yadrolarini litsenziyalaganida , sharhlovchilar bu harakatni olqishladilar, lekin tez orada bunday chiplarni ommaviy ishlab chiqarish mumkinmi, degan savol tug'ildi. Sotuvchilar endi yuzlab dizaynlarda o'rnatilgan asosiy mantiqni da'vo qilmoqdalar. Va QuickLogic allaqachon ikkita nomlangan kompaniyaga qo'shildi . Xilinx va Altera kompaniyalari dasturiy ta'minot yadrolari apparat vositalaridan oldin bozorda paydo bo'lishi haqidagi da'voni tasdiqladilar, dastlab o'zlarining yumshoq protsessorlarini o'rnatilgan protsessorlar sifatida ishlatishgan . Xilinx MicroBlaze Soft qurilmasi 900 ta mantiqiy katakka asoslangan Garvard RISC arxitekturasiga ega 32 bitli protsessordir. Uning chastotasi 125 MGts dan oshadi, ya'ni. 82 Dhrystone dan yuqori tezlik mips . Protsessor IBMning "o'rnatilgan" Coreconnect shinasiga asoslangan ikki qatorli shina strukturasidan foydalanadi . Yumshoq protsessor mahalliy avtobusga va chipda joylashgan protsessor shinasiga ulangan, unga periferik qurilmalar "to'xtatilgan" (5-rasm).
Altera -ning Nios yumshoq yadrosi - bu ko'pgina ko'rsatmalarni bitta soat siklida bajaradigan quvurli RISC protsessoridir. Oilaga 16-bitli va 32-bitli shinali qurilmalar kiradi (6-rasm). 2000 yilda firma Nios-ga asoslangan 2500 ta FPGA sxemalarini loyihalash uchun asboblar to'plamini mijozlarga jo'natdi va 2001 yil oxirigacha 3000 mijozni o'qitishni rejalashtirdi . 2001 yil oxirida Altera takomillashtirilgan Nios v.2 yadrosi chiqarilishini e'lon qildi . Uning soat chastotasi 33 dan 80 MGts gacha oshirildi. Builder System-on-a-Programmable-Chip ( SPC) dasturi Nios v.2-ga asoslangan tizimga qo'shimcha tashqi qurilmalar qo'shishni ancha osonlashtiradi . Nios v.2 buyruqlar to'plamiga maxsus buyruqlarni kiritish juda muhim vaqt algoritmlarining bajarilishini tezlashtiradi va ularni qayta ishlashning murakkab masalalarini hal qilishda foydalanish imkonini beradi. Shaxsiy foydalanuvchi buyruqlari to'plami tashqi xotiralar va/yoki mantiqiy qurilmalarga murojaat qilishi mumkin.
2001 yil oxirida Xilinx o'rnatilgan PowerPC 405 apparat yadrosi bilan Virtex II Pro FPGA- ni chiqarishni rejalashtirgan edi.FPGA to'qqiz darajadagi mis o'zaro bog'lanishlari va past-k dielektrik bilan 0,13 mikron texnologiyasida ishlab chiqarilgan. 300-400 MGts protsessor soat tezligi 6 GB / s ma'lumotlarni uzatish tezligini ta'minlash uchun etarli . Yuqori ishlashga erishish uchun PowerPC yadrosi matritsaning "mato" markaziga joylashtiriladi, bu esa dizayn vositalarini va ulanishlar tuzilishini o'zgartirishni talab qildi. Xilinx 2002 yilda 0,1 mkm texnologiyani qo'llash va FPGA ga 500 MGts chastotali PowerPC yadrolarini va 2003 yilda 0,07 mkm dizayn qoidalariga ega 1 gigagertsli 64 bitli RISC protsessor yadrosini kiritish uchun IBM bilan ishlamoqda. Kompaniya o'rnatilgan apparat protsessoriga ega FPGA yaratishni o'zining eng yuqori texnik yutuqlaridan biri deb biladi.
PowerPC protsessori uchun litsenziya olish uchun Motorola bilan muzokaralarni ham boshlagan , ammo keyin bunday qilishdan voz kechishga qaror qilgan Altera , Xilinx -dan uzoqda emas va hatto oldinda . 2001 yilning ikkinchi choragida u Excalibur oilasidan 32-bitli ARM9TDMI yadrosi va har biri 8KB ko'rsatmalar va ma'lumotlar keshlariga asoslangan 0,18 mikron texnologiyasiga asoslangan o'rnatilgan 200MHz ARM922T protsessorli FPGA-larni jo'natishni boshladi. Mikrosxemada 4,16 mingdan 38,4 minggacha dasturlashtiriladigan mantiqiy elementlar mavjud. U turli xil ilovalar uchun mo'ljallangan - tarmoq protsessorlari, raqamli televidenie, 3G uyali aloqa tizimlari uchun tayanch stantsiyalar, DSL tarmoq interfeysi kartalari va boshqalar. Protsessor quyi tizimi matritsaning chetida joylashgan (7-rasm) va kristall maydonining 11% ni egallaydi.
2001 yil oxirida, o'rnatilgan protsessor yadrolari bilan FPGA-larni chiqargan ikkita etakchi ishlab chiqaruvchilarga QuickLogic qo'shildi, ular MIPS Technologis -dan 32-bitli MIPS32 4Kc yadrosi asosida 457 ming tizim shlyuziga ega QuickMIPS seriyali chiplarini yetkazib berish boshlanganini e'lon qildi ( 8-rasm). Yadro 0,25 mikronli texnologiya bo'yicha bajarilganda, uning chastotasi 133 MGts ni tashkil qiladi, 0,15 mikronli standartlarga o'tishda u 175 MGts ga etadi.
FPGA ning asosiy raqobatchilari ASIC bo'lgan va shunday bo'lib qoladi. Har bir texnologiya o'zining kuchli va zaif tomonlariga ega. Va har doimgidek, kamchiliklar afzalliklaridan kelib chiqadi. Ha, ichida Kelajakda qayta sozlanishi mumkin bo'lgan FPGAlar uchun LUT yordamida uchta yoki to'rtta kirishda har qanday funktsiyani taqlid qilish uchun ma'lumotlar SRAM hujayralarida saqlanadi (to'rtta kirish LUT uchun 16 hujayra ). Natijada, emulyatsiya bilan ta'minlangan moslashuvchanlik o'lim maydonining ko'payishi va shuning uchun narx hisobiga keladi. Boshqa tomondan, ASIC-larning eng yaxshi xususiyatlari ularning Axilles tovoni bo'lishi mumkin. Ushbu mikrosxemalarning yuqori zichligi, yuqori tezligi, kam quvvat iste'moli yuqori soat chastotalarida ishlaydigan ko'p sonli eshiklar va IP bloklari bilan optimallashtirilgan, nozik sozlangan dizaynlarni amalga oshirish imkonini beradi. Va bu dizayn aylanishi va xarajatlarning oshishiga olib keladi. FPGA sotuvchilari ushbu muammolarni o'rnatilgan apparat yadrolari va ASIC ishlab chiqaruvchilari qayta sozlanishi mumkin bo'lgan mantiqiy yadrolar yordamida hal qiladilar. Ushbu texnologiyalar birlashadimi? Aksariyat mutaxassislar buni mumkin deb hisoblaydilar, ammo natijada bozor uchun qattiq raqobat bo'ladi. Biroq, agar vaziyatga diqqat bilan qarasangiz, bunday stsenariyning haqiqiy emasligi ayon bo'ladi. O'rnatilgan apparat yadrolarida makrolardan foydalanish ishlab chiqaruvchilarni "sof" FPGA-lardan uzoqlashtirmoqda. Jang yaqinlashmoqda, ammo bu faqat ASIC bilan taqqoslanadigan modellarni yaratishga intilayotgan FPGA sotuvchilari o'rtasidagi jang bo'ladi. Voqealar rivojlanishining bunday prognozining to'g'riligini o'rnatilgan protsessor yadrolari
bilan FPGA bozorida etakchilik uchun eng yirik FPGA yetkazib beruvchilarining shiddatli poygasi tasdiqlaydi. FPGA ning boshqa turlari jurnalning keyingi sonida muhokama qilinadi.

AdabiyotASIC sanoat Trends.– IC Insights , Inc. _ 2000

ASIC bozorlari. Status 2000. - Integrated Circuit Engineering Corporation.
dasturlashtiriladigan mantiqiy katalog. – EDN-8/30/01.
EBN, 2001 yil, 15 oktyabr .
EE Times, 2001 yil, 16 oktyabr.
www.eetimes.com/story/OEG20011010S0061 .
www.siliconstrategies.com/story/OEG20011008S0065 .
Elektron Yangiliklar Onlayn, 8/10/01. Elektron Yangiliklar, 9/3/01.
Elektron biznes Osiyo, 2001 yil, fevral.
www.vcc.com/fpga.html .
Elektron xaridorlarning yangiliklari , 2000 yil, 25 iyul.
Elektron NTB. №2/2002-son