(Új és Eredeti) Raktáron 3S200A-4FTG256C IC Chip XC3S200A-4FTG256C

Termékjellemzők

 Field Programmable Gate Array

 Amezőben programozható kaputömb(FPGA) egyintegrált áramkörúgy tervezték, hogy a megrendelő vagy a tervező a gyártás után konfigurálja – innen ered a kifejezésterepen programozható.Az FPGA konfigurációt általában az ahardverleíró nyelv(HDL), hasonló az analkalmazás-specifikus integrált áramkör(ASIC).Áramköri diagramokkorábban a konfiguráció megadására használták, de ez a megjelenése miatt egyre ritkábbelektronikus tervezési automatizáláseszközöket.

Az FPGA-k egy tömböt tartalmaznakprogramozható logikai blokkok, valamint az újrakonfigurálható összekapcsolások hierarchiája, amely lehetővé teszi a blokkok összekapcsolását.A logikai blokkok konfigurálhatók összetett végrehajtásrakombinációs funkciók, vagy viselkedjen egyszerűenlogikai kapukmintÉSésXOR.A legtöbb FPGA-ban a logikai blokkok is tartalmaznakmemória elemek, ami egyszerű is lehetpapucsokvagy több teljes memóriablokk.^[1]Sok FPGA átprogramozható, hogy különböző változatokat hajtson végrelogikai függvények, rugalmasságot tesz lehetővéújrakonfigurálható számítástechnikaben végrehajtott módonSzámítógépes program.

Az FPGA-knak figyelemre méltó szerepük vanbeágyazott rendszerfejlesztés, mivel képesek a rendszerszoftver-fejlesztést a hardverrel egyidejűleg elindítani, lehetővé teszik a rendszerteljesítmény-szimulációkat a fejlesztés nagyon korai szakaszában, és lehetővé teszik a különféle rendszerpróbákat és tervezési iterációkat a rendszerarchitektúra véglegesítése előtt.^[2]

Történelem[szerkeszteni]

Az FPGA-ipar ebből sarjadt kiprogramozható, csak olvasható memória(PROM) ésprogramozható logikai eszközök(PLD-k).Mind a PROM-ok, mind a PLD-k kötegenként programozhatók gyárban vagy terepen (helyi programozható).^[3]

Altera1983-ban alapították, és 1984-ben szállította az iparág első újraprogramozható logikai eszközét – az EP300-at –, amely egy kvarc ablakot tartalmazott a csomagban, amely lehetővé tette a felhasználók számára, hogy ultraibolya lámpát világítsanak a szerszámon, hogy töröljék aEPROMcellák, amelyek az eszköz konfigurációját tartalmazták.^[4]

Xilinxelkészítette az első kereskedelmileg életképes terepi programozhatótkaputömb1985-ben^[3]– az XC2064.^[5]Az XC2064 programozható kapukkal és a kapuk közötti programozható összeköttetésekkel rendelkezik, ami egy új technológia és piac kezdete.^[6]Az XC2064 64 konfigurálható logikai blokkkal (CLB) rendelkezik, két három bemenettelkereső táblázatok(LUT-ok).^[7]

1987-ben aNaval Surface Warfare Centerfinanszírozta a Steve Casselman által javasolt kísérletet egy olyan számítógép kifejlesztésére, amely 600 000 újraprogramozható kaput valósít meg.A Casselman sikeres volt, és 1992-ben szabadalmat adtak ki a rendszerhez.^[3]

Az Altera és a Xilinx vita nélkül folytatódott, és gyorsan növekedett 1985-től az 1990-es évek közepéig, amikor a versenytársak felszaporodtak, csökkentve piaci részesedésük jelentős részét.1993-ra az Actel (maMicrosemi) a piac mintegy 18 százalékát szolgálta ki.^[6]

Az 1990-es évek az FPGA-k gyors növekedésének időszaka volt, mind az áramkörök kifinomultsága, mind a gyártás mennyisége tekintetében.Az 1990-es évek elején elsősorban az FPGA-kat használtáktávközléséshálózatépítés.Az évtized végére az FPGA-k utat találtak a fogyasztói, autóipari és ipari alkalmazásokban.^[8]

2013-ra az Altera (31 százalék), az Actel (10 százalék) és a Xilinx (36 százalék) együtt az FPGA-piac mintegy 77 százalékát képviselte.^[9]

Az olyan vállalatok, mint a Microsoft, elkezdték az FPGA-kat használni a nagy teljesítményű, számításigényes rendszerek felgyorsítására (pl.adatközpontokamelyek működtetik azokatBing kereső), miatt ateljesítmény per wattAz FPGA-k előnye.^[10]A Microsoft elkezdte használni az FPGA-katfelgyorsítaniA Bing 2014-ben, 2018-ban pedig megkezdte az FPGA-k telepítését más adatközponti munkaterhelések között.Égszínkék felhő alapú számítástechnikafelület.^[11]

A következő idővonalak jelzik az FPGA tervezés különböző aspektusaiban elért előrehaladást:

Kapuk

• 1987: 9000 kapu, Xilinx^[6]
• 1992: 600 000, Naval Surface Warfare Department^[3]
• 2000-es évek eleje: milliók^[8]
• 2013: 50 millió, Xilinx^[12]

Piac mérete

• 1985: Az első kereskedelmi FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 millió dollár^[6]
• c.1993: >385 millió dollár^{[6][sikertelen ellenőrzés]}
• 2005: 1,9 milliárd dollár^[13]
• 2010-es becslések: 2,75 milliárd dollár^[13]
• 2013: 5,4 milliárd dollár^[14]
• 2020-as becslés: 9,8 milliárd dollár^[14]

Kezdődik a tervezés

Atervezés kezdeteegy új egyedi tervezés FPGA-n való megvalósításhoz.

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

Tervezés[szerkeszteni]

A kortárs FPGA-k nagy erőforrásokkal rendelkezneklogikai kapukés RAM blokkok komplex digitális számítások megvalósításához.Mivel az FPGA-tervek nagyon gyors I/O-sebességet és kétirányú adatokat alkalmaznakbuszok, kihívást jelent az érvényes adatok helyes időzítésének ellenőrzése a beállítási és tartási időn belül.

Alaprajzlehetővé teszi az FPGA-kon belüli erőforrás-allokációt, hogy megfeleljen ezeknek az időkorlátoknak.Az FPGA-k bármilyen logikai funkció megvalósítására használhatók, amely egyASICtud teljesíteni.A funkciók szállítás utáni frissítésének lehetősége,részleges újrakonfigurálása terv egy részének^[17]és az ASIC-konstrukcióhoz viszonyított alacsony, egyszeri tervezési költségek (az általában magasabb egységköltség ellenére) számos alkalmazás számára előnyösek.^[1]

Egyes FPGA-k a digitális funkciókon kívül analóg funkciókkal is rendelkeznek.A leggyakoribb analóg funkció a programozhatóelfordulási arányminden kimeneti érintkezőn, lehetővé téve a mérnök számára, hogy alacsony értéket állítson be az enyhén terhelt érintkezőkön, amelyek egyébként működnénekgyűrűvagypárosítelfogadhatatlanul, és magasabb sebességet állítson be az erősen terhelt érintkezőkre a nagy sebességű csatornákon, amelyek egyébként túl lassan futnának.^[18][19]Szintén gyakori a kvarckristály oszcillátorok, chipre épített ellenállás-kapacitás oszcillátorok, ésfáziszárt hurkokbeágyazottfeszültségvezérelt oszcillátorokóragenerálására és kezelésére, valamint nagy sebességű sorosító-deserializáló (SERDES) adóórákhoz és vevőóra-helyreállításhoz használják.Meglehetősen gyakoriak a különbségekösszehasonlítókcsatlakoztatásra tervezett bemeneti érintkezőköndifferenciál jelzéscsatornák.Néhány "vegyes jelAz FPGA-k integrált perifériával rendelkeznekanalóg-digitális átalakítók(ADC-k) ésdigitális-analóg átalakítók(DAC) analóg jelkondicionáló blokkokkal, amelyek lehetővé teszik, hogy arendszer-on-a-chip(SoC).^[20]Az ilyen eszközök elmossák a határvonalat az FPGA között, amely digitális egyeseket és nullákat hordoz a belső programozható összekötő szövetén, ésmezőben programozható analóg tömb(FPAA), amely analóg értékeket hordoz a belső programozható összekötő szövetén.

Logikai blokkok[szerkeszteni]

Fő cikk:Logikai blokk

Egy logikai cella egyszerűsített példája (LUT –Keresési táblázat, FA –Teljes összeadó, DFF –D-típusú flip-flop)

A leggyakoribb FPGA architektúra egy tömbből álllogikai blokkok(konfigurálható logikai blokkoknak, CLB-knek vagy logikai tömbblokknak, LAB-nak nevezik, a gyártótól függően),I/O padokés az útválasztási csatornákat.^[1]Általában az összes útválasztó csatorna azonos szélességű (vezetékek száma).Egy sor magasságába vagy egy oszlop szélességébe több I/O pad is elférhet a tömbben.

„Az alkalmazási áramkört megfelelő erőforrásokkal rendelkező FPGA-ba kell leképezni.Míg a szükséges CLB-k/LAB-ok és I/O-k száma könnyen meghatározható a tervezésből, a szükséges útválasztási sávok száma még az azonos logikával rendelkező tervek között is jelentősen eltérhet.(Például akeresztléc kapcsolósokkal több útválasztást igényel, mint aszisztolés tömbazonos kapuszámmal.Mivel a fel nem használt útválasztási sávok megnövelik az alkatrész költségét (és csökkentik a teljesítményt), anélkül, hogy bármilyen hasznot hoznának, az FPGA-gyártók megpróbálnak elegendő sávot biztosítani ahhoz, hogy a legtöbb terv illeszkedjenkereső táblázatok(LUT) és I/O-k lehetnekirányított.Ezt olyan becslések határozzák meg, mint például azok, amelyekből származnakA bérleti díj szabályavagy meglévő tervekkel végzett kísérletekkel.”^[21]2018-tólhálózaton-chipaz útválasztási és összekapcsolási architektúrák fejlesztése folyik.^{[idézet szükséges]}

Általában egy logikai blokk néhány logikai cellából áll (ALM, LE, slice stb.).Egy tipikus cella egy 4 bemenetes LUT-ból áll, ateljes összeadó(FA) és aD-típusú flip-flop.Ezeket fel lehet osztani két 3 bemenetes LUT-ra.Ban bennormál módezeket egy 4 bemenetes LUT-ba egyesítik az elsőn keresztülmultiplexer(mux).Ban benszámtanmódban, kimeneteik az összeadóba kerülnek.Az üzemmód kiválasztása a második mux-ba van programozva.A kimenet bármelyik lehetszinkronvagyaszinkron, a harmadik mux programozásától függően.A gyakorlatban az összeadó egésze vagy részeifüggvényként tárolvaa LUT-okba a mentés érdekébenhely.^[22][23][24]

Kemény blokkok[szerkeszteni]

A modern FPGA családok kibővítik a fenti képességeket, és szilíciumban rögzített magasabb szintű funkciókat is magukba foglalnak.Ha ezeket a közös függvényeket beágyazzuk az áramkörbe, az csökkenti a szükséges területet, és nagyobb sebességet ad ezeknek a függvényeknek, mintha logikai primitívekből építenék fel őket.Ezek közé tartozik példáulszorzók, generikusDSP blokkok,beágyazott processzorok, nagy sebességű I/O logika és beágyazottemlékek.

A felső kategóriás FPGA-k nagy sebességet tartalmazhatnaktöbb gigabites adó-vevőkéskemény IP magokmint példáulprocesszormagok,Ethernet közepes beléptető egységek,PCI/PCI Expressvezérlők és külső memóriavezérlők.Ezek a magok a programozható szövet mellett léteznek, de ezekből épülnek feltranzisztorokLUT-ok helyett, így ASIC-szintűekteljesítményésenergiafelhasználásjelentős mennyiségű szöveti erőforrás fogyasztása nélkül, több szövetet hagyva szabadon az alkalmazás-specifikus logika számára.A több gigabites adó-vevők nagy teljesítményű analóg bemeneti és kimeneti áramköröket, valamint nagy sebességű sorosítókat és deszerializálókat is tartalmaznak, amelyek nem építhetők ki LUT-okból.Magasabb szintű fizikai réteg (PHY) funkcionalitás, mint plvonalkódolásAz FPGA-tól függően a sorosítók és a deszerializálók mellett kemény logikában implementálható vagy nem.