(Nou și original) În stoc 3S200A-4FTG256C IC Chip XC3S200A-4FTG256C

Atributele produsului

 Matrice de porți programabilă în câmp

 Amatrice de porți programabilă în câmp(FPGA) este ocircuit integratconceput pentru a fi configurat de către un client sau un designer după fabricație – de unde și termenulprogramabil în câmp.Configurația FPGA este în general specificată folosind alimbaj de descriere hardware(HDL), similar cu cel folosit pentru uncircuit integrat specific aplicației(ASIC).Scheme de circuiteau fost folosite anterior pentru a specifica configurația, dar acest lucru este din ce în ce mai rar din cauza aparițieiautomatizarea designului electronicunelte.

FPGA-urile conțin o serie deprogramabil blocuri logice, și o ierarhie de interconexiuni reconfigurabile care permit ca blocurile să fie conectate împreună.Blocurile logice pot fi configurate pentru a fi complexefuncții combinaționale, sau acționați ca simpluporți logicecaȘIșiXOR.În majoritatea FPGA-urilor, blocurile logice includ șielemente de memorie, care poate fi simplupapuci flip-flopsau mai multe blocuri complete de memorie.^[1]Multe FPGA pot fi reprogramate pentru a le implementa diferitefuncții logice, permițând flexibilitatecalculatoare reconfigurabileasa cum se efectueaza inprogram de calculator.

FPGA-urile au un rol remarcabil însistem incorporatdezvoltarea datorită capacității lor de a începe dezvoltarea software-ului de sistem simultan cu hardware-ul, de a permite simulări de performanță a sistemului într-o fază foarte incipientă a dezvoltării și de a permite diverse încercări de sistem și iterații de proiectare înainte de finalizarea arhitecturii sistemului.^[2]

Istorie[Editați | ×]

Industria FPGA a apărut dinmemorie programabilă numai pentru citire(PROM) șidispozitive logice programabile(PLD-uri).PROM-urile și PLD-urile aveau ambele opțiunea de a fi programate în loturi într-o fabrică sau pe teren (programabile pe teren).^[3]

Alteraa fost fondată în 1983 și a livrat primul dispozitiv logic reprogramabil din industrie în 1984 – EP300 – care includea o fereastră de cuarț în pachet care permitea utilizatorilor să strălucească o lampă cu ultraviolete pe matriță pentru a ștergeEPROMcelulele care dețin configurația dispozitivului.^[4]

Xilinxa produs primul viabil comercial programabil pe terenmatrice de poartăîn 1985^[3]– XC2064.^[5]XC2064 a avut porți programabile și interconexiuni programabile între porți, începuturile unei noi tehnologii și piețe.^[6]XC2064 avea 64 de blocuri logice configurabile (CLB), cu două cu trei intrăritabele de căutare(LUT-uri).^[7]

În 1987,Centrul de război de suprafață navala finanțat un experiment propus de Steve Casselman pentru a dezvolta un computer care să implementeze 600.000 de porți reprogramabile.Casselman a avut succes și un brevet legat de sistem a fost eliberat în 1992.^[3]

Altera și Xilinx au continuat necontestat și au crescut rapid din 1985 până la mijlocul anilor 1990, când concurenții au apărut, erodând o parte semnificativă a cotei lor de piață.Până în 1993, Actel (acumMicrosemi) deservea aproximativ 18% din piață.^[6]

Anii 1990 au fost o perioadă de creștere rapidă pentru FPGA, atât în ​​ceea ce privește sofisticarea circuitelor, cât și volumul producției.La începutul anilor 1990, FPGA-urile au fost utilizate în principal întelecomunicatiișirețele.Până la sfârșitul deceniului, FPGA-urile și-au găsit drumul în aplicațiile de consum, auto și industriale.^[8]

Până în 2013, Altera (31%), Actel (10%) și Xilinx (36%) reprezentau împreună aproximativ 77% din piața FPGA.^[9]

Companii precum Microsoft au început să folosească FPGA-uri pentru a accelera sistemele de înaltă performanță, cu consum intensiv de calcul (cum ar ficentre de datecare le opereazăMotorul de căutare Bing), din cauzaperformanță pe wattoferă avantaje FPGA.^[10]Microsoft a început să folosească FPGA-uri pentruacceleraBing în 2014 și în 2018 a început să implementeze FPGA-uri în alte sarcini de lucru ale centrelor de date pentruAzur cloud computingplatformă.^[11]

Următoarele cronologie indică progresul în diferite aspecte ale designului FPGA:

porti

• 1987: 9.000 de porți, Xilinx^[6]
• 1992: 600.000, Departamentul Naval de Război de Suprafață^[3]
• Începutul anilor 2000: milioane^[8]
• 2013: 50 de milioane, Xilinx^[12]

Dimensiunea pieței

• 1985: Primul FPGA comercial: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 milioane de dolari^[6]
• c.1993: >385 milioane USD^{[6][verificarea eșuată]}
• 2005: 1,9 miliarde de dolari^[13]
• Estimări pentru 2010: 2,75 miliarde USD^[13]
• 2013: 5,4 miliarde de dolari^[14]
• Estimare 2020: 9,8 miliarde USD^[14]

Începe designul

Aîncepe proiectareaeste un nou design personalizat pentru implementare pe un FPGA.

• 2005: 80.000^[15]
• 2008: 90.000^[16]

Proiecta[Editați | ×]

FPGA-urile contemporane au resurse mari deporți logiceși blocuri RAM pentru a implementa calcule digitale complexe.Deoarece modelele FPGA folosesc rate I/O foarte rapide și date bidirecționaleautobuze, devine o provocare să verificați sincronizarea corectă a datelor valide în timpul de configurare și timpul de reținere.

Planificarea etajuluipermite alocarea resurselor în cadrul FPGA-urilor pentru a îndeplini aceste constrângeri de timp.FPGA-urile pot fi utilizate pentru a implementa orice funcție logică pe care oASICpoate efectua.Abilitatea de a actualiza funcționalitatea după expediere,reconfigurare parțialăa unei porțiuni din design^[17]iar costurile reduse de inginerie nerecurente în raport cu un design ASIC (în ciuda costului unitar în general mai ridicat), oferă avantaje pentru multe aplicații.^[1]

Unele FPGA au caracteristici analogice pe lângă funcțiile digitale.Cea mai comună caracteristică analogică este programabilărata de slewpe fiecare pin de ieșire, permițând inginerului să seteze rate scăzute pe pinii puțin încărcați, care altfel ar fiinelsaucupluinacceptabil și pentru a seta rate mai mari pe pinii cu încărcare mare pe canale de mare viteză care altfel ar rula prea încet.^[18][19]De asemenea, comune sunt cuarțul-oscilatoare cu cristale, oscilatoare de rezistență-capacitate pe cip șibucle blocate în fazăcu încorporatoscilatoare controlate de tensiuneutilizat pentru generarea și gestionarea ceasului, precum și pentru ceasurile de transmisie ale serializatorului-deserializator de mare viteză (SERDES) și recuperarea ceasului receptorului.Destul de comune sunt diferențialecomparatoripe pinii de intrare proiectați pentru a fi conectațisemnalizare diferenţialăcanale.Câțiva "semnal mixtFPGA-urile” au periferice integrateconvertoare analog-digitale(ADC-uri) șiconvertoare digital-analogic(DAC) cu blocuri de condiționare a semnalului analogic care le permit să funcționeze ca asistem-pe-un-cip(SoC).^[20]Astfel de dispozitive estompează linia dintre un FPGA, care poartă numere și zerouri digitale pe țesătura de interconectare programabilă internă șimatrice analogică programabilă în câmp(FPAA), care transportă valori analogice pe structura sa internă de interconectare programabilă.

Blocuri logice[Editați | ×]

Articolul principal:Bloc logic

Exemplu simplificat de ilustrare a unei celule logice (LUT –Tabel de căutare, FA –Adder complet, DFF –Flip-flop de tip D)

Cea mai comună arhitectură FPGA constă dintr-o serie deblocuri logice(numite blocuri logice configurabile, CLB-uri sau blocuri de matrice logice, LAB-uri, în funcție de furnizor),Tampoane I/O, și canale de rutare.^[1]În general, toate canalele de rutare au aceeași lățime (număr de fire).Mai multe plăci I/O se pot încadra în înălțimea unui rând sau în lățimea unei coloane din matrice.

„Un circuit de aplicație trebuie mapat într-un FPGA cu resurse adecvate.În timp ce numărul de CLB-uri/LAB-uri și I/O-uri necesare este ușor de determinat din proiectare, numărul de piste de rutare necesare poate varia considerabil chiar și între proiecte cu aceeași cantitate de logică.(De exemplu, acomutator bară transversalănecesită mult mai multă rutare decât amatrice sistolicăcu același număr de poartă.Deoarece pistele de rutare neutilizate cresc costul (și scad performanța) piesei fără a oferi niciun beneficiu, producătorii de FPGA încearcă să ofere doar suficiente piste, astfel încât majoritatea modelelor care se vor potrivi în ceea ce priveștetabele de căutare(LUT-urile) și I/O-urile pot fidirijate.Aceasta este determinată de estimări precum cele derivate dinRegula chirieisau prin experimente cu modele existente.”^[21]Din 2018,reţea pe cipsunt în curs de dezvoltare arhitecturi pentru rutare și interconectare.^{[citare necesară]}

În general, un bloc logic este format din câteva celule logice (numite ALM, LE, slice etc.).O celulă tipică constă dintr-un LUT cu 4 intrări, asumator plin(FA) și aFlip-flop de tip D.Acestea pot fi împărțite în două LUT-uri cu 3 intrări.ÎnMod normalacestea sunt combinate într-un LUT cu 4 intrări prin primulmultiplexor(mux).Înaritmeticmodul, ieșirile lor sunt alimentate la sumator.Selectarea modului este programată în al doilea mux.Ieșirea poate fi fiesincronsauasincron, în funcție de programarea celui de-al treilea mux.În practică, totalul sau părți din acesta suntstocate ca funcțiiîn LUT-uri pentru a salvaspaţiu.^[22][23][24]

blocuri dure[Editați | ×]

Familiile moderne de FPGA extind capacitățile de mai sus pentru a include funcționalități de nivel superior fixate în siliciu.Având aceste funcții comune încorporate în circuit reduce aria necesară și oferă acelor funcții viteză crescută în comparație cu construirea lor din primitive logice.Exemple dintre acestea includmultiplicatori, genericblocuri DSP,procesoare încorporate, logic I/O de mare viteză și încorporatamintiri.

FPGA-urile de vârf pot conține viteză maretransceiver multi-gigabitșinuclee IP durecanuclee de procesor,Ethernet unități medii de control al accesului,PCI/PCI Expresscontrolere și controlere de memorie externe.Aceste nuclee există alături de materialul programabil, dar sunt construite dintranzistoareîn loc de LUT-uri, astfel încât acestea au nivel ASICperformanţășiconsumul de energiefără a consuma o cantitate semnificativă de resurse de țesătură, lăsând mai mult din țesătură liberă pentru logica specifică aplicației.Transceiverele multi-gigabit conțin, de asemenea, circuite de intrare și ieșire analogice de înaltă performanță, împreună cu serializatoare și deserializatoare de mare viteză, componente care nu pot fi construite din LUT-uri.Funcționalitate de nivel superior de nivel fizic (PHY), cum ar ficodificarea liniilorpoate fi sau nu implementat alături de serializatoare și deserializatoare în logică hard, în funcție de FPGA.