Integrovaný obvod IC čip Elektronická součást XC5VLX110-1FFG1153C FPGA Virtex-5

Vlastnosti produktu

Nahlásit chybu informací o produktu

Zobrazit podobné

Dokumenty a média

Environmentální a exportní klasifikace

Provozně programovatelné hradlové pole

Aprogramovatelné hradlové pole(FPGA) jeintegrovaný obvodnavržený tak, aby jej po výrobě konfiguroval zákazník nebo konstruktér – odtud termínprogramovatelné v terénu.Konfigurace FPGA se obecně specifikuje pomocí ajazyk popisu hardwaru(HDL), podobný tomu, který se používá pro anaplikačně specifický integrovaný obvod(ASIC).Schémata zapojeníbyly dříve používány ke specifikaci konfigurace, ale to je stále vzácnější kvůli příchoduautomatizace elektronického návrhunástroje.

FPGA obsahují poleprogramovatelný logické blokya hierarchie rekonfigurovatelných propojení umožňujících propojení bloků dohromady.Logické bloky mohou být nakonfigurovány tak, aby fungovaly komplexněkombinační funkcenebo se chovejte jednodušelogická hradlajakoAaXOR.Ve většině FPGA obsahují také logické blokypaměťové prvky, což může být jednoduchéžabkynebo více úplných bloků paměti.^[1]Mnoho FPGA může být přeprogramováno tak, aby implementovalo různélogické funkce, umožňující flexibilnírekonfigurovatelné výpočtyjak se provádí vpočítačový software.

FPGA hrají významnou rolivestavěný systémvývoj díky jejich schopnosti zahájit vývoj systémového softwaru současně s hardwarem, umožnit simulace výkonu systému ve velmi rané fázi vývoje a umožnit různé systémové zkoušky a iterace návrhu před dokončením systémové architektury.^[2]

Dějiny[Upravit]

Průmysl FPGA vyrostl zprogramovatelná paměť pouze pro čtení(PROM) aprogramovatelná logická zařízení(PLD).PROM i PLD měly možnost programování v dávkách v továrně nebo v terénu (programovatelné v terénu).^[3]

Alterabyla založena v roce 1983 a v roce 1984 dodala první přeprogramovatelné logické zařízení v oboru – EP300 – které obsahovalo křemenné okénko v balení, které uživatelům umožňovalo posvítit ultrafialovou lampou na matrici a vymazatEPROMbuňky, které obsahovaly konfiguraci zařízení.^[4]

Xilinxvyrobil první komerčně životaschopný programovatelný programhradlové polev roce 1985^[3]– XC2064.^[5]XC2064 měl programovatelné brány a programovatelné propojení mezi branami, počátky nové technologie a trhu.^[6]XC2064 měl 64 konfigurovatelných logických bloků (CLB) se dvěma třívstupovýmivyhledávací tabulky(LUT).^[7]

V roce 1987,Centrum námořních povrchových válekfinancovala experiment navržený Stevem Casselmanem s cílem vyvinout počítač, který by implementoval 600 000 přeprogramovatelných hradel.Casselman byl úspěšný a patent související se systémem byl vydán v roce 1992.^[3]

Altera a Xilinx pokračovaly bez problémů a rychle rostly od roku 1985 do poloviny 90. let, kdy vyrostli konkurenti a narušili významnou část jejich podílu na trhu.V roce 1993, Actel (nyníMikrosemi) obsluhuje asi 18 procent trhu.^[6]

Devadesátá léta byla obdobím rychlého růstu FPGA, a to jak v sofistikovanosti obvodů, tak v objemu výroby.Na počátku 90. let se FPGA primárně používaly vtelekomunikaceavytváření sítí.Na konci dekády si FPGA našly cestu do spotřebitelských, automobilových a průmyslových aplikací.^[8]

V roce 2013 představovaly Altera (31 procent), Actel (10 procent) a Xilinx (36 procent) dohromady přibližně 77 procent trhu FPGA.^[9]

Společnosti jako Microsoft začaly používat FPGA k urychlení vysoce výkonných, výpočetně náročných systémů (jako napřdatová centrakteré provozují jejichVyhledávač Bing), v důsledkuvýkon na wattvýhody FPGA poskytují.^[10]Microsoft začal používat FPGAurychlitBing v roce 2014 a v roce 2018 začal nasazovat FPGA v jiných pracovních zátěžích datových center pro jejichBlankyt cloud computingplošina.^[11]

Následující časové osy ukazují pokrok v různých aspektech návrhu FPGA:

Brány

• 1987: 9 000 bran, Xilinx^[6]
• 1992: 600 000, oddělení námořního povrchového válčení^[3]
• Počátek 2000: miliony^[8]
• 2013: 50 milionů, Xilinx^[12]

Velikost trhu

• 1985: První komerční FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 milionů dolarů^[6]
• C.1993: > 385 milionů dolarů^{[6][neúspěšné ověření]}
• 2005: 1,9 miliardy dolarů^[13]
• 2010 odhady: 2,75 miliardy dolarů^[13]
• 2013: 5,4 miliardy dolarů^[14]
• Odhad pro rok 2020: 9,8 miliardy dolarů^[14]

Design začíná

Anávrhový začátekje nový vlastní návrh pro implementaci na FPGA.

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

Design[Upravit]

Současné FPGA mají velké zdrojelogická hradlaa RAM bloky pro implementaci komplexních digitálních výpočtů.Protože návrhy FPGA využívají velmi rychlé I/O rychlosti a obousměrná dataautobusy, stává se výzvou ověřit správné načasování platných dat během doby nastavení a doby uchování.

Plánování podlažíumožňuje alokaci zdrojů v rámci FPGA pro splnění těchto časových omezení.FPGA lze použít k implementaci jakékoli logické funkce, kteráASICmůže provádět.Schopnost aktualizovat funkčnost po odeslání,částečná rekonfiguracečásti designu^[17]a nízké jednorázové inženýrské náklady ve vztahu k návrhu ASIC (nehledě na obecně vyšší jednotkové náklady) nabízejí výhody pro mnoho aplikací.^[1]

Některé FPGA mají kromě digitálních funkcí také analogové funkce.Nejběžnější analogová funkce je programovatelnárychlost přeběhuna každém výstupním kolíku, což umožňuje technikovi nastavit nízké rychlosti na lehce zatížené kolíky, které by jinak bylyprstennebopárnepřijatelně a nastavit vyšší rychlosti na silně zatížené piny na vysokorychlostních kanálech, které by jinak běžely příliš pomalu.^[18][19]Běžné jsou také křemennékrystalové oscilátory, odporově kapacitní oscilátory na čipu afázově uzamčené smyčkys vloženýmnapěťově řízené oscilátorypoužívá se pro generování a správu hodin, stejně jako pro vysokorychlostní vysílací hodiny serializátoru-deserializátoru (SERDES) a obnovu hodin přijímače.Poměrně běžné jsou diferenciálnísrovnávačena vstupních pinech určených k připojenídiferenciální signalizacekanály.Trochu "smíšený signálFPGA“ mají integrované periferieanalogově-digitální převodníky(ADC) adigitálně-analogové převodníky(DAC) s bloky pro úpravu analogového signálu, které jim umožňují pracovat jako asystém na čipu(SoC).^[20]Taková zařízení rozmazávají čáru mezi FPGA, které na své vnitřní programovatelné propojovací látce nese digitální jedničky a nuly, apole programovatelné analogové pole(FPAA), který přenáší analogové hodnoty na své vnitřní programovatelné propojovací struktuře.