(Nij en orizjineel) Op foarried 3S200A-4FTG256C IC Chip XC3S200A-4FTG256C

Produkt Attributen

 Field Programmierbare Gate Array

 INfjild-programmearbere poarte array(FPGA) is inyntegrearre circuitûntworpen om te konfigurearjen troch in klant as in ûntwerper nei fabrikaazje - dus de termfjild-programmearber.De FPGA-konfiguraasje wurdt algemien oantsjutte mei inhardware beskriuwing taal(HDL), fergelykber mei dat brûkt foar inapplikaasje-spesifike yntegrearre circuit(ASIC).Circuit diagrammenwaarden earder brûkt om oantsjutte de konfiguraasje, mar dit wurdt hieltyd seldsumer troch de komst fanelektroanyske design automatisearringark.

FPGAs befetsje in array fanprogrammearber logyske blokken, en in hiërargy fan reconfigurable interconnects wêrtroch blokken wurde bedrade tegearre.Logyske blokken kinne wurde konfigureare om komplekse út te fierenkombinaasje funksjes, of hannelje sa ienfâldichlogyske poartenlykasENenXOR.Yn 'e measte FPGA's befetsje logyske blokken ekûnthâld eleminten, dat kin wêze simpelflip-flopsof mear folsleine blokken fan ûnthâld.^[1]In protte FPGA's kinne wurde herprogrammearre om ferskate te ymplementearjenlogyske funksjes, wêrtroch fleksibelereconfigurable computinglykas útfierd ynKompjûter software.

FPGA's hawwe in opmerklike rol ynynbêde systeemûntwikkeling fanwegen har fermogen om systeemsoftware-ûntwikkeling tagelyk mei hardware te begjinnen, simulaasjes fan systeemprestaasjes yn in heul iere faze fan 'e ûntwikkeling yn te skeakeljen, en ferskate systeemproeven en ûntwerpiteraasjes tastean foardat de systeemarsjitektuer finalisearret.^[2]

Skiednis[bewurkje]

De FPGA-yndustry ûntstie útprogrammearber allinnich-lêzen ûnthâld(PROM) enprogrammearbere logika apparaten(PLDs).PROM's en PLD's hienen beide de opsje om yn batches yn in fabryk of yn it fjild te programmearjen (fjildprogrammearber).^[3]

Alterawaard oprjochte yn 1983 en levere yn 1984 it earste herprogrammearbere logika-apparaat fan 'e yndustry - de EP300 - dy't in kwartsfinster yn it pakket befette wêrmei brûkers in ultrafiolet lampe op' e die kinne skine om de stjer te wiskjen.EPROMsellen dy't de apparaatkonfiguraasje holden.^[4]

Xilinxprodusearre de earste kommersjeel libbensfetbere fjild-programmearberepoarte arrayyn 1985^[3]- de XC2064.^[5]De XC2064 hie programmearbere poarten en programmearbere interconnects tusken poarten, it begjin fan in nije technology en merk.^[6]De XC2064 hie 64 konfigurearbere logyske blokken (CLB's), mei twa trije-ynfieropsykje tabellen(LUTS).^[7]

Yn 1987, deNaval Surface Warfare Centerfinansierde in eksperimint foarsteld troch Steve Casselman om in kompjûter te ûntwikkeljen dy't 600.000 herprogrammbere poarten ymplementearje soe.Casselman wie suksesfol en in oktroai relatearre oan it systeem waard útjûn yn 1992.^[3]

Altera en Xilinx bleaunen ûnbestriden en groeiden fluch fan 1985 oant de midden fan 'e njoggentiger jierren doe't konkurrinten opkamen, en in signifikant diel fan har merkoandiel erodearre.Tsjin 1993, Actel (noMicrosemi) tsjinne sawat 18 prosint fan 'e merk.^[6]

De 1990's wiene in perioade fan rappe groei foar FPGA's, sawol yn circuitferfining as it folume fan produksje.Yn 'e iere jierren 1990 waarden FPGA's primêr brûkt yntelekommunikaasjeennetwurken.Oan 'e ein fan' e desennia fûnen FPGA's har wei yn konsuminte-, auto- en yndustriële tapassingen.^[8]

Tsjin 2013 fertsjintwurdigen Altera (31 prosint), Actel (10 prosint) en Xilinx (36 prosint) tegearre sawat 77 prosint fan 'e FPGA-merk.^[9]

Bedriuwen lykas Microsoft binne begon FPGA's te brûken om hege prestaasjes, berekkening-yntinsive systemen te fersnellen (lykas dedata sintrady't har operearjeBing sykmasine), fanwegen deprestaasjes per wattfoardiel FPGAs leverje.^[10]Microsoft begon FPGA's te brûken omfersnelleBing yn 2014, en yn 2018 begon it ynsetten fan FPGA's oer oare wurkloads foar datasintrum foar harAzure cloud computingperron.^[11]

De folgjende tiidlinen jouwe foarútgong yn ferskate aspekten fan FPGA-ûntwerp oan:

Gates

• 1987: 9.000 poarten, Xilinx^[6]
• 1992: 600.000, Naval Surface Warfare Department^[3]
• Begjin 2000: miljoenen^[8]
• 2013: 50 miljoen, Xilinx^[12]

Market grutte

• 1985: Earste kommersjele FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: $ 14 miljoen^[6]
• c.1993: >$385 miljoen^{[6][mislearre ferifikaasje]}
• 2005: $1,9 miljard^[13]
• 2010 rûzings: $ 2,75 miljard^[13]
• 2013: $ 5,4 miljard^[14]
• Skatting 2020: $ 9,8 miljard^[14]

Design begjint

INdesign startis in nij oanpast ûntwerp foar ymplemintaasje op in FPGA.

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

Ûntwerp[bewurkje]

Eigentiidske FPGAs hawwe grutte middels fanlogyske poartenen RAM-blokken om komplekse digitale berekkeningen út te fieren.As FPGA-ûntwerpen brûke heul rappe I / O-tariven en bidirectionele gegevensbussen, wurdt it in útdaging om de krekte timing fan jildige gegevens te ferifiearjen binnen opsettiid en tiid te hâlden.

Floor planningsoarget foar tawizing fan boarnen binnen FPGA's om oan dizze tiidbeperkingen te foldwaan.FPGAs kinne brûkt wurde om te fieren eltse logyske funksje dat inASICútfiere kinne.De mooglikheid om de funksjonaliteit te aktualisearjen nei ferstjoering,parsjele re-konfiguraasjefan in diel fan it ûntwerp^[17]en de lege net-weromkommende technyske kosten relatyf oan in ASIC-ûntwerp (nettsjinsteande de algemien hegere ienheidskosten), biede foardielen foar in protte tapassingen.^[1]

Guon FPGA's hawwe analoge funksjes neist digitale funksjes.De meast foarkommende analoge funksje is in programmabelslach rateop elke útfier pin, wêrtroch't de yngenieur in set lege tariven op licht laden pins dat soe oarsringofpearûnakseptabel, en om hegere tariven yn te stellen op swier laden pinnen op hege snelheidskanalen dy't oars te stadich rinne.^[18][19]Ek gewoan binne kwarts-kristal oscillators, on-chip ferset-capacitance oscillators, enfaze-beskoattele loopsmei ynbêdespanning-controlled oscillatorsbrûkt foar klok generaasje en behear likegoed as foar hege-snelheid serializer-deserializer (SERDES) zenden klokken en ûntfanger klok herstel.Hiel gewoan binne differinsjaalkomparatorsop input pins ûntwurpen om te ferbinen meidifferinsjaaloperator signalingkanalen.In bytsje "mingde sinjaalFPGA's" hawwe yntegreare perifeare apparatenanaloge-nei-digitale converters(ADC's) endigitaal-nei-analoge converters(DACs) mei analoge sinjaal conditioning blokken wêrtroch't se operearje as insysteem-op-a-chip(SoC).^[20]Sokke apparaten ferwiderje de line tusken in FPGA, dy't digitale enen en nullen draacht op har ynterne programmabele ynterkonneksjestof, enfjild-programmearbere analoge array(FPAA), dy't analoge wearden draacht op har ynterne programmabele interconnect-stof.

Logyske blokken [bewurkje]

Haadartikel:Logyske blok

Simplified foarbyld yllustraasje fan in logyske sel (LUT -Lookup tabel, FA -Folsleine adder, DFF -D-type flip-flop)

De meast foarkommende FPGA-arsjitektuer bestiet út in array fanlogyske blokken(neamd konfigurearbere logyske blokken, CLB's, of logyske arrayblokken, LAB's, ôfhinklik fan ferkeaper),I/O pads, en routing kanalen.^[1]Algemien hawwe alle routingkanalen deselde breedte (oantal draden).Meardere I / O-pads kinne passe yn 'e hichte fan ien rige of de breedte fan ien kolom yn' e array.

"In applikaasje-sirkwy moat wurde yn kaart brocht yn in FPGA mei adekwate boarnen.Wylst it oantal CLBs / LABs en I / Os nedich is maklik bepaald út it ûntwerp, kin it oantal routing spoaren nedich behoarlik fariearje sels ûnder ûntwerpen mei itselde bedrach fan logika.(Bygelyks, acrossbar switchfereasket folle mear routing dan asystolyske arraymei deselde poarte telle.Sûnt net brûkte routingspoaren de kosten ferheegje (en de prestaasjes ferminderje) fan it diel sûnder foardiel te leverjen, besykje FPGA-fabrikanten krekt genôch spoaren te leverjen sadat de measte ûntwerpen dy't passe yn termen fanopsykje tabellen(LUT's) en I/O's kinne wêzerûn.Dit wurdt bepaald troch rûzings lykas dy ôflaat fanRent syn regelof troch eksperiminten mei besteande ûntwerpen.”^[21]Fanôf 2018,netwurk-on-chiparsjitektueren foar routing en ynterferbining wurde ûntwikkele.^{[sitaat nedich]}

Yn it algemien, in logyske blok bestiet út in pear logyske sellen (neamd ALM, LE, slice ensfh).In typyske sel bestiet út in 4-ynput LUT, afolsleine adder(FA) en aD-type flip-flop.Dizze kinne wurde opdield yn twa 3-ynput LUT's.Ynnormale modusdy wurde kombinearre yn in 4-ynput LUT troch de earstemultiplexer(moai).Ynrekkenjenmodus, harren útgongen wurde fieden oan de adder.De seleksje fan modus wurdt programmearre yn de twadde mux.De útfier kin beide wêzesyngroaneofasynchronous, ôfhinklik fan de programmearring fan de tredde mux.Yn de praktyk, hiele of dielen fan de adder binneopslein as funksjesyn 'e LUT's om te bewarjenrûmte.^[22][23][24]

Hard blokken[bewurkje]

Moderne FPGA-famyljes wreidzje út op de boppesteande mooglikheden om funksjonaliteit op heger nivo op te nimmen fêst yn silisium.It hawwen fan dizze mienskiplike funksjes ynbêde yn it circuit ferleget it fereaske gebiet en jout dy funksjes ferhege snelheid yn ferliking mei it bouwen fan se út logyske primitives.Foarbylden fan dizze omfetsjemultipliers, generykDSP blokken,ynbêde processors, hege snelheid I / O logika en ynbêdeoantinkens.

Heger-ein FPGAs kinne befetsje hege snelheidmulti-gigabit transceiversenhurde IP kearnenlykasprosessor kearnen,Ethernet medium tagong kontrôle ienheden,PCI/PCI Expresscontrollers, en eksterne ûnthâld controllers.Dizze kearnen besteane njonken it programmabele stof, mar se binne boud úttransistorsynstee fan LUT's, sadat se ASIC-nivo hawweoptredenenenerzjyferbrûksûnder in wichtige hoemannichte stofboarnen te konsumearjen, mear fan 'e stof frij te litten foar de applikaasje-spesifike logika.De multi-gigabit-transceivers befetsje ek hege prestaasjes analoge ynfier- en útfierkringen tegearre mei hege snelheid serializers en deserializers, komponinten dy't net út LUT's kinne wurde boud.Funksjonaliteit op heger nivo fysike laach (PHY) lykasline kodearringkin of net wurde ymplementearre neist de serializers en deserializers yn hurde logika, ôfhinklik fan de FPGA.