Integrerad krets IC-chip elektronisk komponent XC5VLX110-1FFG1153C FPGA Virtex-5

Produktattribut

Rapportera produktinformationsfel

Visa liknande

Dokument och media

Miljö- och exportklassificeringar

På-plats-programmerbar grindmatris

Apå-plats-programmerbar grindmatris(FPGA) är enintegrerad kretsdesignad för att konfigureras av en kund eller en designer efter tillverkning – därav termenfältprogrammerbar.FPGA-konfigurationen specificeras vanligtvis med hjälp av enspråk för hårdvarubeskrivning(HDL), liknande det som används för enapplikationsspecifik integrerad krets(ASIC).Kretsschemananvändes tidigare för att specificera konfigurationen, men detta är allt mer sällsynt på grund av tillkomsten avelektronisk designautomationverktyg.

FPGA:er innehåller en array avprogrammerbar logiska block, och en hierarki av omkonfigurerbara sammankopplingar som tillåter block att kopplas samman.Logikblock kan konfigureras för att utföra komplexakombinationsfunktioner, eller agera så enkeltlogiska grindartycka omOCHochXOR.I de flesta FPGA inkluderar logiska block ocksåminneselement, vilket kan vara enkeltFlip flopseller mer kompletta minnesblock.^[1]Många FPGA kan omprogrammeras för att implementera olikalogiska funktioner, vilket tillåter flexibelomkonfigurerbar datoranvändningsom utförs idatormjukvara.

FPGA:er har en anmärkningsvärd roll iinbyggda systemutveckling på grund av deras förmåga att starta systemprogramvaruutveckling samtidigt med hårdvara, möjliggöra systemprestandasimuleringar i ett mycket tidigt skede av utvecklingen och tillåta olika systemförsök och designiterationer innan systemarkitekturen slutförs.^[2]

Historia[redigera]

FPGA-industrin spirade urprogrammerbart skrivskyddat minne(PROM) ochprogrammerbara logiska enheter(PLD).PROMs och PLDs hade båda möjlighet att programmeras i partier i en fabrik eller på fältet (fältprogrammerbar).^[3]

Alteragrundades 1983 och levererade branschens första omprogrammerbara logiska enhet 1984 – EP300 – som innehöll ett kvartsfönster i förpackningen som gjorde det möjligt för användare att lysa en ultraviolett lampa på formen för att raderaEPROMceller som innehöll enhetskonfigurationen.^[4]

Xilinxproducerade den första kommersiellt gångbara fältprogrammerbaragate arrayår 1985^[3]– XC2064.^[5]XC2064 hade programmerbara grindar och programmerbara sammankopplingar mellan grindar, början på en ny teknik och marknad.^[6]XC2064 hade 64 konfigurerbara logiska block (CLB), med två tre-ingångaruppslagstabeller(LUTS).^[7]

1987, denNaval Surface Warfare Centerfinansierade ett experiment som föreslagits av Steve Casselman för att utveckla en dator som skulle implementera 600 000 omprogrammerbara grindar.Casselman var framgångsrik och ett patent relaterat till systemet utfärdades 1992.^[3]

Altera och Xilinx fortsatte oemotsagda och växte snabbt från 1985 till mitten av 1990-talet när konkurrenter växte fram och urholkade en betydande del av deras marknadsandel.År 1993, Actel (nuMikrosemi) betjänade cirka 18 procent av marknaden.^[6]

1990-talet var en period av snabb tillväxt för FPGA, både vad gäller kretsförfining och produktionsvolymen.I början av 1990-talet användes FPGA främst itelekommunikationochnätverk.I slutet av årtiondet hittade FPGA:er sin väg till konsument-, fordons- och industriapplikationer.^[8]

År 2013 representerade Altera (31 procent), Actel (10 procent) och Xilinx (36 procent) tillsammans cirka 77 procent av FPGA-marknaden.^[9]

Företag som Microsoft har börjat använda FPGA för att accelerera högpresterande, beräkningsintensiva system (somdatacentersom driver sinaBing sökmotor), pågrund avprestanda per wattfördelar med FPGA.^[10]Microsoft började använda FPGA för attaccelereraBing 2014 och 2018 började distribuera FPGA:er över andra datacenterarbetsbelastningar för derasAzurblå molntjänsterplattform.^[11]

Följande tidslinjer indikerar framsteg i olika aspekter av FPGA-design:

Portar

• 1987: 9 000 portar, Xilinx^[6]
• 1992: 600 000, Naval Surface Warfare Department^[3]
• Tidigt 2000-tal: miljoner^[8]
• 2013: 50 miljoner, Xilinx^[12]

Marknadsstorlek

• 1985: Första kommersiella FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 miljoner dollar^[6]
• c.1993: >385 miljoner dollar^{[6][misslyckad verifiering]}
• 2005: 1,9 miljarder dollar^[13]
• Uppskattningar för 2010: 2,75 miljarder dollar^[13]
• 2013: 5,4 miljarder dollar^[14]
• Uppskattning 2020: 9,8 miljarder dollar^[14]

Designen börjar

Adesignstartär en ny anpassad design för implementering på en FPGA.

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

Design[redigera]

Samtida FPGA har stora resurser pålogiska grindaroch RAM-block för att implementera komplexa digitala beräkningar.Eftersom FPGA-konstruktioner använder mycket snabba I/O-hastigheter och dubbelriktad databussar, blir det en utmaning att verifiera korrekt tidpunkt för giltig data inom inställningstid och hålltid.

Planeringmöjliggör resursallokering inom FPGA:er för att möta dessa tidsbegränsningar.FPGA:er kan användas för att implementera alla logiska funktioner som enASICkan utföra.Möjligheten att uppdatera funktionaliteten efter leverans,partiell omkonfigurationav en del av designen^[17]och de låga engångstekniska kostnaderna i förhållande till en ASIC-design (trots den generellt högre enhetskostnaden), erbjuder fördelar för många tillämpningar.^[1]

Vissa FPGA:er har analoga funktioner utöver digitala funktioner.Den vanligaste analoga funktionen är en programmerbarsvängningshastighetpå varje utgångsstift, vilket gör att ingenjören kan ställa in låga hastigheter på lätt belastade stift som annars skulle göra detringaellerparoacceptabelt, och att sätta högre hastigheter på tungt belastade stift på höghastighetskanaler som annars skulle gå för långsamt.^[18][19]Också vanliga är kvarts-kristalloscillatorer, on-chip resistans-kapacitans oscillatorer, ochfaslåsta slingormed inbäddadspänningsstyrda oscillatoreranvänds för generering och hantering av klockor samt för höghastighetsserialiserare-deserialiserare (SERDES) sändningsklockor och mottagarklockåterställning.Ganska vanliga är differentialkomparatorerpå ingångsstift designade att anslutas tilldifferentiell signaleringkanaler.Några "blandad signalFPGA” har integrerad kringutrustninganalog-till-digital-omvandlare(ADC) ochdigital-till-analog-omvandlare(DAC) med analoga signalkonditioneringsblock som tillåter dem att fungera som ensystem-på-ett-chip(SoC).^[20]Sådana enheter suddar ut gränsen mellan en FPGA, som bär digitala ettor och nollor på sin interna programmerbara sammankopplingsväv, ochfältprogrammerbar analog array(FPAA), som bär analoga värden på sin interna programmerbara sammankopplingsväv.