(Новый и оригинальный) В наличии 3S200A-4FTG256C Микросхема XC3S200A-4FTG256C

Атрибуты продукта

 Программируемая вентильная матрица

 Апрограммируемая пользователем вентильная матрица(ПЛИС) являетсяИнтегральная схемапредназначен для настройки заказчиком или дизайнером после производства – отсюда и терминпрограммируемый пользователем.Конфигурация FPGA обычно задается с помощьюязык описания оборудования(ЛПВП), аналогичный тому, который используется дляинтегральная схема для конкретного применения(АСИК).Принципиальные схемыранее использовались для указания конфигурации, но это становится все реже из-за появленияавтоматизация электронного проектированияинструменты.

FPGA содержат массивпрограммируемый логические блокии иерархия реконфигурируемых межсоединений, позволяющая соединять блоки вместе.Логические блоки могут быть сконфигурированы для выполнения сложныхкомбинационные функцииили действовать как простологические элементынравитьсяИиисключающее ИЛИ.В большинстве ПЛИС логические блоки также включают в себяэлементы памяти, что может быть простымшлепкиили более полных блоков памяти.^[1]Многие FPGA можно перепрограммировать для реализации различныхлогические функции, что позволяет гибкореконфигурируемые вычислениякак исполнено вкомпьютерное программное обеспечение.

FPGA играют замечательную роль вВстроенная системаразработка благодаря их способности начинать разработку системного программного обеспечения одновременно с разработкой аппаратного обеспечения, обеспечивать моделирование производительности системы на очень ранней стадии разработки, а также обеспечивать возможность различных испытаний системы и итераций проектирования перед завершением разработки системной архитектуры.^[2]

История[редактировать]

Индустрия FPGA возникла изпрограммируемая постоянная память(ПРОМ) ипрограммируемые логические устройства(ПЛД).И PROM, и PLD можно было программировать партиями на заводе или в полевых условиях (программируемое на месте).^[3]

Альтерабыла основана в 1983 году и в 1984 году выпустила первое в отрасли перепрограммируемое логическое устройство — EP300, в корпусе которого было кварцевое окно, позволяющее пользователям освещать кристалл ультрафиолетовой лампой, чтобы стеретьСППЗУячейки, в которых хранилась конфигурация устройства.^[4]

Ксилинксвыпустил первый коммерчески жизнеспособный программируемый пользователеммассив вентилейв 1985 году^[3]– ХС2064.^[5]XC2064 имел программируемые ворота и программируемые соединения между воротами, что положило начало новой технологии и рынку.^[6]XC2064 имел 64 конфигурируемых логических блока (CLB), два из которых имели три входа.таблицы поиска(ЛУТы).^[7]

В 1987 годуЦентр надводных боевых действий ВМФпрофинансировал эксперимент, предложенный Стивом Кассельманом, по разработке компьютера, который будет реализовывать 600 000 перепрограммируемых вентилей.Кассельман добился успеха, и в 1992 году на систему был выдан патент.^[3]

Altera и Xilinx продолжали оставаться бесспорными и быстро росли с 1985 года до середины 1990-х годов, когда появились конкуренты, разрушившие значительную часть их доли рынка.К 1993 году Actel (нынеМикросеми) обслуживал около 18 процентов рынка.^[6]

1990-е годы были периодом быстрого роста FPGA, как по сложности схем, так и по объему производства.В начале 1990-х годов FPGA в основном использовались втелекоммуникацииисеть.К концу десятилетия FPGA нашли свое применение в потребительских, автомобильных и промышленных приложениях.^[8]

К 2013 году Altera (31 процент), Actel (10 процентов) и Xilinx (36 процентов) вместе представляли примерно 77 процентов рынка FPGA.^[9]

Такие компании, как Microsoft, начали использовать FPGA для ускорения высокопроизводительных, ресурсоемких систем (таких какцентры обработки данныхкоторые управляют своимипоисковая система Бинг), из-запроизводительность на ваттпреимущества, которые дают FPGA.^[10]Microsoft начала использовать FPGA дляускорятьсяBing в 2014 году и в 2018 году начали развертывать FPGA в других рабочих нагрузках центров обработки данных для своихЛазурный облачные вычисленияПлатформа.^[11]

Следующие графики показывают прогресс в различных аспектах проектирования FPGA:

Ворота

• 1987: 9000 ворот, Ксилинкс^[6]
• 1992: 600 000, Департамент надводной войны ВМФ.^[3]
• Начало 2000-х: миллионы^[8]
• 2013: 50 миллионов, Xilinx^[12]

Размер рынка

• 1985: Первая коммерческая FPGA: Xilinx XC2064.^[5][6]
• 1987: 14 миллионов долларов^[6]
• в.1993: >385 миллионов долларов^{[6][неудавшаяся проверка]}
• 2005: 1,9 миллиарда долларов^[13]
• Оценка на 2010 год: 2,75 миллиарда долларов.^[13]
• 2013: 5,4 миллиарда долларов^[14]
• Оценка на 2020 год: 9,8 миллиарда долларов.^[14]

Начало проектирования

Аначало проектированияэто новый индивидуальный дизайн для реализации на FPGA.

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

Дизайн[редактировать]

Современные ПЛИС обладают большими возможностямилогические элементыи блоки ОЗУ для реализации сложных цифровых вычислений.Поскольку в конструкциях FPGA используются очень высокие скорости ввода-вывода и двунаправленные данныеАвтобусы, становится проблемой проверить правильность синхронизации действительных данных в течение времени установки и времени удержания.

Планировка этажапозволяет распределять ресурсы внутри FPGA для удовлетворения этих временных ограничений.FPGA могут использоваться для реализации любой логической функции, которуюASICможет выступать.Возможность обновления функционала после доставки,частичная реконфигурациячасть конструкции^[17]а низкие единовременные затраты на проектирование по сравнению с конструкцией ASIC (несмотря на, как правило, более высокую удельную стоимость), предлагают преимущества для многих приложений.^[1]

Некоторые FPGA помимо цифровых функций имеют аналоговые функции.Наиболее распространенной аналоговой функцией является программируемаяскорость нарастанияна каждом выходном контакте, что позволяет инженеру устанавливать низкие скорости на слегка нагруженных контактах, которые в противном случаекольцоилипаранеприемлемо и устанавливать более высокие скорости на сильно нагруженных выводах высокоскоростных каналов, которые в противном случае работали бы слишком медленно.^[18][19]Также распространены кварц-кварцевые генераторы, встроенные резистивно-емкостные генераторы ипетли фазовой автоподстройки частотысо встроеннымгенераторы, управляемые напряжениемиспользуется для генерации и управления тактовыми сигналами, а также для высокоскоростного сериализатора-десериализатора (SERDES) тактовых импульсов передачи и восстановления тактовых импульсов приемника.Довольно распространены дифференциальныекомпараторына входных контактах, предназначенных для подключения кдифференциальная сигнализацияканалы.Немного "смешанный сигналFPGA» имеют интегрированную периферию.аналого-цифровые преобразователи(АЦП) ицифро-аналоговые преобразователи(DAC) с блоками формирования аналогового сигнала, позволяющими им работать каксистема на кристалле(SoC).^[20]Такие устройства стирают грань между FPGA, которая хранит цифровые единицы и нули на своей внутренней программируемой межкомпонентной сети, ипрограммируемая пользователем аналоговая матрица(FPAA), который передает аналоговые значения по своей внутренней программируемой межкомпонентной сети.

Логические блоки[редактировать]

Основная статья:Логический блок

Упрощенный пример логической ячейки (LUT –Справочная таблица, ФА –Полный сумматор, ДФФ –триггер типа D)

Наиболее распространенная архитектура FPGA состоит из массивалогические блоки(называемые настраиваемыми логическими блоками, CLB или блоками логических массивов, LAB, в зависимости от поставщика),Площадки ввода/выводаи маршрутизация каналов.^[1]Как правило, все каналы маршрутизации имеют одинаковую ширину (количество проводов).Несколько площадок ввода-вывода могут соответствовать высоте одной строки или ширине одного столбца массива.

«Прикладная схема должна быть отображена в FPGA с соответствующими ресурсами.Хотя необходимое количество CLB/LAB и входов/выходов легко определяется проектом, количество необходимых дорожек маршрутизации может значительно различаться даже среди проектов с одинаковым объемом логики.(Например,перекладина переключательтребует гораздо большей маршрутизации, чемсистолический массивс тем же количеством ворот.Поскольку неиспользуемые дорожки маршрутизации увеличивают стоимость (и снижают производительность) детали, не принося никакой пользы, производители FPGA стараются предоставить ровно столько дорожек, чтобы большинство проектов подходили с точки зрениятаблицы поиска(LUT) и входы/выходы могут бытьразгромлен.Это определяется оценками, например, полученными изПравило Рентыили путем экспериментов с существующими конструкциями».^[21]По состоянию на 2018 годсеть на кристаллеразрабатываются архитектуры маршрутизации и межсетевого взаимодействия.^{[нужна цитата]}

В общем, логический блок состоит из нескольких логических ячеек (называемых ALM, LE, слайс и т. д.).Типичная ячейка состоит из LUT с 4 входами,полный сумматор(ФА) итриггер типа D.Их можно разделить на две LUT с 3 входами.Внормальный режимони объединяются в 4-входовой LUT через первыймультиплексор(мукс).Варифметикарежиме их выходы подаются на сумматор.Выбор режима запрограммирован во втором мультиплексоре.Выход может быть либосинхронныйилиасинхронный, в зависимости от программирования третьего мультиплексора.На практике сумматор целиком или его частихранится как функциив LUT, чтобы сохранитькосмос.^[22][23][24]

Жесткие блоки[редактировать]

Современные семейства FPGA расширяют вышеуказанные возможности, включая функциональность более высокого уровня, зафиксированную в кремнии.Встраивание этих общих функций в схему уменьшает требуемую площадь и повышает скорость выполнения этих функций по сравнению с их построением из логических примитивов.Примеры этого включают в себямножители, общийБлоки DSP,встроенные процессоры, высокоскоростная логика ввода-вывода и встроеннаявоспоминания.

Высокопроизводительные FPGA могут содержать высокоскоростныемультигигабитные трансиверыижесткие IP-ядратакой какядра процессора,Ethernet средние блоки контроля доступа,PCI/PCI Экспрессконтроллеры и контроллеры внешней памяти.Эти ядра существуют рядом с программируемой структурой, но они построены изтранзисторывместо LUT, чтобы они имели уровень ASICпроизводительностьиэнергопотреблениебез потребления значительного количества ресурсов структуры, оставляя большую часть структуры свободной для логики конкретного приложения.Мультигигабитные трансиверы также содержат высокопроизводительные схемы аналогового ввода и вывода, а также высокоскоростные сериализаторы и десериализаторы — компоненты, которые невозможно построить на основе LUT.Функциональность физического уровня более высокого уровня (PHY), такая каклинейное кодированиемогут быть реализованы или не реализованы вместе с сериализаторами и десериализаторами в жесткой логике, в зависимости от FPGA.