(Жаңа және түпнұсқа) Қоймада бар 3S200A-4FTG256C IC чип XC3S200A-4FTG256C

Өнім атрибуттары

 Өрістің бағдарламаланатын қақпа массиві

 Аөрісте бағдарламаланатын қақпа массиві(FPGA) болып табыладыинтегралдық схемаөндіруден кейін тапсырыс беруші немесе дизайнер конфигурациялауға арналған - демек, терминөрісте бағдарламаланатын.FPGA конфигурациясы әдетте a арқылы анықталадыаппараттық құралды сипаттау тілі(HDL), үшін пайдаланылатынға ұқсасқолданбалы интегралдық схема(ASIC).Схемаларбұрын конфигурацияны анықтау үшін пайдаланылған, бірақ бұл пайда болуына байланысты барған сайын сирекэлектрондық дизайнды автоматтандыруқұралдар.

FPGA массивінен тұрадыбағдарламаланатын логикалық блоктар, және блоктарды бір-біріне қосуға мүмкіндік беретін қайта конфигурацияланатын өзара қосылымдар иерархиясы.Логикалық блоктарды күрделі орындау үшін конфигурациялауға боладыкомбинациялық функциялар, немесе қарапайым әрекет етіңізлогикалық қақпаларсияқтыЖӘНЕжәнеXOR.Көптеген FPGA-да логикалық блоктар да қамтидыжады элементтері, бұл қарапайым болуы мүмкінрезеңке шәркелернемесе одан да толық жады блоктары.^[1]Көптеген FPGA әртүрлі іске асыру үшін қайта бағдарламалануы мүмкінлогикалық функциялар, икемділікке мүмкіндік бередіқайта конфигурацияланатын есептеулерорындалғандайкомпьютерлік бағдарламалық қамтамасыз ету.

FPGA маңызды рөл атқарадыендірілген жүйежүйенің бағдарламалық жасақтамасын әзірлеуді аппараттық құралдармен бір мезгілде бастау, әзірлеудің өте ерте кезеңінде жүйе өнімділігін модельдеуге мүмкіндік беру және жүйе архитектурасын аяқтағанға дейін әртүрлі жүйелік сынақтар мен дизайн итерацияларына мүмкіндік беру мүмкіндігіне байланысты әзірлеу.^[2]

Тарих[өңдеу]

FPGA индустриясы осыдан пайда болдытек оқуға арналған бағдарламаланатын жад(PROM) жәнебағдарламаланатын логикалық құрылғылар(PLDs).PROM және PLD екеуінде де зауытта немесе далада (далада бағдарламаланатын) топтамалармен бағдарламалау мүмкіндігі болды.^[3]

Альтера1983 жылы негізі қаланған және 1984 жылы саладағы бірінші қайта бағдарламаланатын логикалық құрылғыны – EP300-ді ұсынды – ол пакетте кварц терезесі бар, ол пайдаланушыларға ультракүлгін шамды өшіру үшін матрицада жарқыратуға мүмкіндік берді.EPROMқұрылғы конфигурациясын ұстайтын ұяшықтар.^[4]

Силинксбірінші коммерциялық өміршең далалық бағдарламаланатын шығарылдықақпа массиві1985 жылы^[3]– XC2064.^[5]XC2064-де бағдарламаланатын қақпалар және қақпалар арасындағы бағдарламаланатын өзара байланыстар, жаңа технология мен нарықтың бастамасы болды.^[6]XC2064-те екі үш кірісі бар 64 конфигурацияланатын логикалық блоктар (CLB) болды.кестелерді іздеу(LUT).^[7]

1987 жылыӘскери-теңіз бетіндегі соғыс орталығыСтив Кассельманның 600 000 қайта бағдарламаланатын қақпаларды іске асыратын компьютерді жасау үшін ұсынған экспериментін қаржыландырды.Кассельман сәтті болды және жүйеге қатысты патент 1992 жылы берілді.^[3]

Altera және Xilinx бәсекелестер өсіп, олардың нарықтық үлесінің айтарлықтай бөлігін жойып жіберген кезде 1985 жылдан 1990 жылдардың ортасына дейін еш қиындықсыз жалғасты және тез өсті.1993 жылға қарай Актел (қазірМикрожартылай) нарықтың шамамен 18 пайызына қызмет етті.^[6]

1990 жылдар FPGA үшін схеманың күрделілігі бойынша да, өндіріс көлемі бойынша да жылдам өсу кезеңі болды.1990 жылдардың басында FPGA негізінен пайдаланылдытелекоммуникацияларжәнежелі құру.Онжылдықтың соңында FPGA тұтынушылық, автомобильдік және өнеркәсіптік қолданбаларға жол тапты.^[8]

2013 жылға қарай Altera (31 пайыз), Actel (10 пайыз) және Xilinx (36 пайыз) бірге FPGA нарығының шамамен 77 пайызын құрады.^[9]

Microsoft сияқты компаниялар өнімділігі жоғары, есептеуді қажет ететін жүйелерді жеделдету үшін FPGA қолдана бастады (мысалы,деректер орталықтарыолар жұмыс істейдіBing іздеу жүйесі), байланыстываттқа өнімділікартықшылығы FPGA жеткізеді.^[10]Microsoft корпорациясы FPGA пайдалана бастадытездетуBing 2014 жылы, ал 2018 жылы FPGA-ны басқа деректер орталығының жұмыс жүктемелері үшін қолдана бастады.Лазур бұлтты есептеуплатформа.^[11]

Келесі уақыт кестелері FPGA дизайнының әртүрлі аспектілеріндегі ілгерілеуді көрсетеді:

Гейтс

• 1987: 9000 қақпа, Силинкс^[6]
• 1992: 600 000, теңіз бетіндегі соғыс бөлімі^[3]
• 2000 жылдардың басы: миллиондаған^[8]
• 2013: 50 миллион, Силинкс^[12]

Нарық көлемі

• 1985: Бірінші коммерциялық FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 миллион доллар^[6]
• в.1993: >385 миллион доллар^{[6][тексеру сәтсіз аяқталды]}
• 2005: $1,9 млрд^[13]
• 2010 жылғы бағалаулар: $2,75 млрд^[13]
• 2013 жыл: 5,4 миллиард доллар^[14]
• 2020 жылғы бағалау: 9,8 миллиард доллар^[14]

Дизайн басталады

Адизайнның басталуыFPGA жүйесінде іске асыруға арналған жаңа теңшелетін дизайн.

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

Дизайн[өңдеу]

Қазіргі заманғы FPGAs үлкен ресурстарға иелогикалық қақпаларжәне күрделі цифрлық есептеулерді жүзеге асыру үшін жедел жады блоктары.FPGA конструкциялары өте жылдам енгізу/шығару жылдамдығын және екі бағытты деректерді пайдаланадыавтобустар, орнату уақыты мен ұстау уақытында жарамды деректердің дұрыс уақытын тексеру қиынға соғады.

Еденді жоспарлауосы уақыт шектеулерін қанағаттандыру үшін FPGA ішінде ресурстарды бөлуге мүмкіндік береді.FPGA кез келген логикалық функцияны жүзеге асыру үшін пайдаланылуы мүмкінASICорындай алады.Жеткізуден кейін функционалдылықты жаңарту мүмкіндігі,ішінара қайта конфигурациялаудизайнның бір бөлігі^[17]және ASIC дизайнына қатысты төмен қайталанбайтын инженерлік шығындар (бірліктің жалпы құнына қарамастан) көптеген қолданбалар үшін артықшылықтар береді.^[1]

Кейбір FPGA сандық функциялардан басқа аналогтық мүмкіндіктерге ие.Ең көп таралған аналогтық мүмкіндік - бағдарламаланатынайналу жылдамдығыәрбір шығыс түйреуіште инженерге аз жүктелген түйреуіштерге төмен мөлшерлемелерді орнатуға мүмкіндік береді, әйтпесесақинанемесежұпрұқсат етілмейді және әйтпесе тым баяу жұмыс істейтін жоғары жылдамдықты арналардағы қатты жүктелген түйреуіштерге жоғары жылдамдықтарды орнату.^[18][19]Сондай-ақ кең таралған кварц-кристалдық осцилляторлар, микросхемадағы кедергі-сыйымдылық осцилляторлары жәнефазалық құлыпталған контурларендірілгенкернеумен басқарылатын осцилляторларсағатты генерациялау және басқару, сондай-ақ жоғары жылдамдықты сериализатор-десериализатор (SERDES) жіберу сағаттары мен қабылдағыш сағатын қалпына келтіру үшін қолданылады.Дифференциалды жиі кездеседісалыстырушыларқосуға арналған кіріс түйреуіштеріндедифференциалды сигнализацияарналар.Бірнеше »аралас сигналFPGAs» біріктірілген перифериялық құрылғыларға иеаналогты-цифрлық түрлендіргіштер(ADC) жәнесандық-аналогтық түрлендіргіштер(DACs) аналогтық сигналды кондиционерлеу блоктары бар, олар ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік бередічиптегі жүйе(SoC).^[20]Мұндай құрылғылар өзінің ішкі бағдарламаланатын өзара байланыс матасында сандық және нөлдерді тасымалдайтын FPGA арасындағы сызықты бұлдыратады жәнеөрісте бағдарламаланатын аналогтық массив(FPAA), ол аналогтық мәндерді ішкі бағдарламаланатын өзара байланыс матасында тасымалдайды.

Логикалық блоктар[өңдеу]

Негізгі мақала:Логикалық блок

Логикалық ұяшықтың жеңілдетілген мысалы иллюстрациясы (LUT –Іздеу кестесі, FA –Толық қосқыш, DFF –D типті флип-флоп)

Ең көп таралған FPGA архитектурасы массивтен тұрадылогикалық блоктар(жеткізушіге байланысты конфигурацияланатын логикалық блоктар, CLB немесе логикалық массив блоктары, LAB деп аталады)Енгізу/шығару тақталары, және арналарды бағыттау.^[1]Әдетте, барлық бағыттау арналарының ені бірдей (сымдар саны).Бірнеше енгізу/шығару тақталары массивтегі бір жолдың биіктігіне немесе бір бағанның еніне сәйкес келуі мүмкін.

«Қолданбалы схема сәйкес ресурстары бар FPGA-ға салыстырылуы керек.Қажетті CLB/LAB және енгізу/шығару саны жобадан оңай анықталғанымен, қажетті бағыттау жолдарының саны тіпті логикасы бірдей конструкциялар арасында айтарлықтай өзгеруі мүмкін.(Мысалы, акөлденең жолақты ауыстырып-қосқышқарағанда әлдеқайда көп бағыттауды қажет етедісистолалық массивбірдей қақпа санымен.Пайдаланылмаған бағыттау жолдары ешқандай пайда әкелместен бөліктің құнын арттырады (және өнімділігін төмендетеді) болғандықтан, FPGA өндірушілері көптеген конструкцияларға сәйкес келетіндей жеткілікті тректерді беруге тырысады.кестелерді іздеу(LUT) және енгізу/шығару болуы мүмкінбағытталды.Бұл алынғандар сияқты бағалаулар арқылы анықталадыЖалға алу ережесінемесе бар конструкциялармен эксперименттер арқылы.^[21]2018 жылғы жағдай бойынша,чиптегі желімаршруттау және өзара байланыстыру архитектуралары әзірленуде.^{[дәйексөз қажет]}

Жалпы, логикалық блок бірнеше логикалық ұяшықтардан тұрады (ALM, LE, slice және т.б. деп аталады).Әдеттегі ұяшық 4 кірісті LUT-тен тұрады, атолық қосқыш(FA) және аD типті флип-флоп.Оларды екі 3 кірісті LUT-ге бөлуге болады.жылықалыпты режимолар бірінші арқылы 4 кірісті LUT біріктіріледімультиплексор(mux).жылыарифметикарежимінде олардың шығыстары сумматорға беріледі.Режимді таңдау екінші мультипликаторға бағдарламаланады.Шығару кез келген болуы мүмкінсинхрондынемесеасинхронды, үшінші мукстің бағдарламалануына байланысты.Іс жүзінде қосқыштың толық немесе бөліктері болып табыладыфункциялар ретінде сақталадысақтау үшін LUT-ге енгізіңізғарыш.^[22][23][24]

Қатты блоктар[өңдеу]

Қазіргі заманғы FPGA отбасылары кремнийге бекітілген жоғары деңгейлі функционалдылықты қосу үшін жоғарыда аталған мүмкіндіктерді кеңейтеді.Тізбекке енгізілген осы жалпы функциялардың болуы талап етілетін аумақты азайтады және бұл функцияларды логикалық примитивтерден құрумен салыстырғанда жоғары жылдамдықты береді.Олардың мысалдары мыналарды қамтидыкөбейткіштер, жалпыDSP блоктары,ендірілген процессорлар, жоғары жылдамдықты енгізу/шығару логикасы және енгізілгенестеліктер.

Жоғары деңгейлі FPGA жоғары жылдамдықты қамтуы мүмкінкөп гигабиттік трансиверлержәнеқатты IP ядроларысияқтыпроцессордың ядролары,Ethernet орташа қол жеткізуді басқару блоктары,PCI/PCI Expressконтроллерлер және сыртқы жад контроллерлері.Бұл ядролар бағдарламаланатын матаның жанында бар, бірақ олардан жасалғантранзисторларLUT орнына олар ASIC деңгейіне иеөнімділікжәнеқуат тұтынумата ресурстарының айтарлықтай мөлшерін тұтынбай, қолданбаға тән логика үшін матаның көп бөлігін бос қалдырады.Көп гигабиттік трансиверлерде сонымен қатар LUT-ден құрастырылмайтын құрамдас бөліктер, жоғары жылдамдықты сериализаторлар мен десериализаторлармен бірге жоғары өнімді аналогтық кіріс және шығыс схемалары бар.сияқты жоғары деңгейлі физикалық деңгей (PHY) функционалдығысызықты кодтауFPGA-ға байланысты қатаң логикадағы сериализаторлармен және десериализаторлармен қатар жүзеге асырылуы немесе жүзеге асырылмауы мүмкін.