(ახალი და ორიგინალი) საწყობში 3S200A-4FTG256C IC ჩიპი XC3S200A-4FTG256C

პროდუქტის ატრიბუტები

 ველის პროგრამირებადი კარიბჭის მასივი

 ასაველე პროგრამირებადი კარიბჭის მასივი(FPGA) არისინტეგრირებული წრეშექმნილია მომხმარებლის ან დიზაინერის მიერ წარმოების შემდეგ კონფიგურაციისთვის - აქედან გამომდინარეობს ტერმინისაველე პროგრამირებადი.FPGA კონფიგურაცია ზოგადად მითითებულია aტექნიკის აღწერილობის ენა(HDL), მსგავსი, რომელიც გამოიყენება აგანაცხადის სპეციფიკური ინტეგრირებული წრე(ASIC).მიკროსქემის დიაგრამებიადრე გამოიყენებოდა კონფიგურაციის დასაზუსტებლად, მაგრამ ეს სულ უფრო იშვიათია იმის გამო, რომ გაჩნდაელექტრონული დიზაინის ავტომატიზაციახელსაწყოები.

FPGA შეიცავს მასივსპროგრამირებადი ლოგიკური ბლოკები, და ხელახლა კონფიგურირებადი ურთიერთდაკავშირების იერარქია, რომელიც ბლოკების ერთმანეთთან დაკავშირების საშუალებას იძლევა.ლოგიკური ბლოკების კონფიგურაცია შესაძლებელია კომპლექსის შესასრულებლადკომბინირებული ფუნქციებიან იმოქმედეთ მარტივადლოგიკური კარიბჭემოსწონსდადაXOR.FPGA-ების უმეტესობაში ლოგიკური ბლოკებიც მოიცავსმეხსიერების ელემენტები, რომელიც შეიძლება იყოს მარტივიფლიპ-ფლოპებიან მეხსიერების უფრო სრული ბლოკები.^[1]ბევრი FPGA შეიძლება გადაპროგრამდეს სხვადასხვა განსახორციელებლადლოგიკური ფუნქციები, რაც მოქნილობის საშუალებას იძლევახელახლა კონფიგურირებადი გამოთვლაროგორც შესრულებულიაკომპიუტერული პროგრამული უზრუნველყოფა.

FPGA-ებს განსაკუთრებული როლი აქვთჩაშენებული სისტემაგანვითარება, იმის გამო, რომ მათ შეუძლიათ დაიწყონ სისტემის პროგრამული უზრუნველყოფის შემუშავება აპარატურასთან ერთად, ჩართონ სისტემის მუშაობის სიმულაციები განვითარების ძალიან ადრეულ ფაზაში და დაუშვან სისტემის სხვადასხვა საცდელი და დიზაინის გამეორება სისტემის არქიტექტურის დასრულებამდე.^[2]

ისტორია[რედაქტირება]

FPGA ინდუსტრია წარმოიშვაპროგრამირებადი მხოლოდ წაკითხვის მეხსიერება(პრომ) დაპროგრამირებადი ლოგიკური მოწყობილობები(PLDs).PROM-ებს და PLD-ებს ორივეს ჰქონდათ ფაბრიკაში დაპროგრამების შესაძლებლობა ქარხანაში ან მინდორში (საველე პროგრამირებადი).^[3]

ალტერადაარსდა 1983 წელს და წარმოადგინა ინდუსტრიის პირველი გადაპროგრამირებადი ლოგიკური მოწყობილობა 1984 წელს - EP300 - პაკეტში გამოსახული იყო კვარცის ფანჯარა, რომელიც მომხმარებლებს საშუალებას აძლევდა, ულტრაიისფერი ნათურა გამოენათებინა საძირეზე.EPROMუჯრედები, რომლებიც ინახავდნენ მოწყობილობის კონფიგურაციას.^[4]

ქსილინქსიწარმოებული პირველი კომერციულად სიცოცხლისუნარიანი საველე პროგრამირებადიკარიბჭის მასივი1985 წელს^[3]- XC2064.^[5]XC2064-ს ჰქონდა პროგრამირებადი კარიბჭეები და პროგრამირებადი ურთიერთდაკავშირება გეიტებს შორის, ახალი ტექნოლოგიისა და ბაზრის დასაწყისი.^[6]XC2064-ს ჰქონდა 64 კონფიგურირებადი ლოგიკური ბლოკი (CLB), ორი სამი შეყვანითსაძიებო ცხრილები(LUTs).^[7]

1987 წელს,საზღვაო ზედაპირული ომის ცენტრიდააფინანსა სტივ კასელმანის მიერ შემოთავაზებული ექსპერიმენტი, რათა შეემუშავებინა კომპიუტერი, რომელიც განახორციელებდა 600 000 რეპროგრამირებადი კარიბჭეს.Casselman-მა წარმატებას მიაღწია და სისტემასთან დაკავშირებული პატენტი გაიცა 1992 წელს.^[3]

Altera და Xilinx გრძელდებოდა დაუპირისპირებლად და სწრაფად იზრდებოდა 1985 წლიდან 1990-იანი წლების შუა პერიოდამდე, როდესაც კონკურენტები გამრავლდნენ, რამაც მათი ბაზრის წილის მნიშვნელოვანი ნაწილი გაანადგურა.1993 წლისთვის აქტელი (ახლამიკროსემი) ემსახურებოდა ბაზრის დაახლოებით 18 პროცენტს.^[6]

1990-იანი წლები იყო FPGA-ების სწრაფი ზრდის პერიოდი, როგორც მიკროსქემის დახვეწილობის, ასევე წარმოების მოცულობის თვალსაზრისით.1990-იანი წლების დასაწყისში FPGA ძირითადად გამოიყენებოდატელეკომუნიკაციებიდაქსელი.ათწლეულის ბოლოს FPGA-ებმა იპოვეს გზა სამომხმარებლო, საავტომობილო და სამრეწველო აპლიკაციებში.^[8]

2013 წლისთვის Altera (31 პროცენტი), Actel (10 პროცენტი) და Xilinx (36 პროცენტი) ერთად წარმოადგენდნენ FPGA ბაზრის დაახლოებით 77 პროცენტს.^[9]

კომპანიებმა, როგორიცაა Microsoft, დაიწყეს FPGA-ების გამოყენება მაღალი ხარისხის, გამოთვლითი ინტენსიური სისტემების დასაჩქარებლად (როგორიცაამონაცემთა ცენტრებირომ ფუნქციონირებს მათიBing საძიებო სისტემა), იმის გამო, რომშესრულება თითო ვატზეუპირატესობა FPGAs მიწოდება.^[10]Microsoft-მა დაიწყო FPGA-ების გამოყენებააჩქარებაBing-მა 2014 წელს და 2018 წელს დაიწყო FPGA-ების დანერგვა მონაცემთა ცენტრის სხვა დატვირთვებზე მათიცისფერი ღრუბლოვანი გამოთვლაპლატფორმა.^[11]

შემდეგი ვადები მიუთითებს პროგრესს FPGA დიზაინის სხვადასხვა ასპექტში:

გეითსი

• 1987: 9000 კარიბჭე, Xilinx^[6]
• 1992: 600,000, საზღვაო ზედაპირული ომის დეპარტამენტი^[3]
• 2000-იანი წლების დასაწყისი: მილიონები^[8]
• 2013: 50 მილიონი, Xilinx^[12]

Ბაზრის ზომა

• 1985: პირველი კომერციული FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987 წელი: $14 მილიონი^[6]
• გ.1993: >385 მილიონი დოლარი^{[6][ვერ გადამოწმება]}
• 2005 წელი: $1,9 მილიარდი^[13]
• 2010 წლის შეფასებით: $2,75 მილიარდი^[13]
• 2013: $5,4 მილიარდი^[14]
• 2020 წლის შეფასება: $9.8 მილიარდი^[14]

დიზაინი იწყება

ადიზაინის დაწყებაარის ახალი მორგებული დიზაინი FPGA-ზე განსახორციელებლად.

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

დიზაინი[რედაქტირება]

თანამედროვე FPGA-ებს აქვთ დიდი რესურსებილოგიკური კარიბჭედა ოპერატიული მეხსიერების ბლოკები რთული ციფრული გამოთვლების განსახორციელებლად.რადგან FPGA დიზაინები იყენებს ძალიან სწრაფ I/O სიხშირეს და ორმხრივ მონაცემებსავტობუსები, გამოწვევად იქცევა მოქმედი მონაცემების სწორი დროის გადამოწმება დაყენების დროში და შეჩერების დროს.

იატაკის დაგეგმარებასაშუალებას აძლევს რესურსების განაწილებას FPGA-ებში, რათა დააკმაყოფილოს ეს დროის შეზღუდვები.FPGA შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნებისმიერი ლოგიკური ფუნქციის განსახორციელებლადASICშეუძლია შეასრულოს.ფუნქციების განახლების შესაძლებლობა მიწოდების შემდეგ,ნაწილობრივი ხელახალი კონფიგურაციადიზაინის ნაწილი^[17]და დაბალი არაგანმეორებადი საინჟინრო ხარჯები ASIC დიზაინთან შედარებით (მიუხედავად ზოგადად უფრო მაღალი ერთეულის ღირებულებისა), გთავაზობთ უპირატესობებს მრავალი აპლიკაციისთვის.^[1]

ზოგიერთ FPGA-ს აქვს ანალოგური ფუნქციები ციფრული ფუნქციების გარდა.ყველაზე გავრცელებული ანალოგური ფუნქცია არის პროგრამირებადიმკვლელობის მაჩვენებელითითოეულ გამომავალ ქინძისთავზე, რაც ინჟინერს საშუალებას აძლევს დააყენოს დაბალი განაკვეთები მსუბუქად დატვირთულ ქინძისთავებზე, რაც სხვაგვარად იქნებოდაბეჭედიანწყვილიმიუღებელია და დააყენეთ უფრო მაღალი ტარიფები ძლიერ დატვირთულ ქინძისთავებზე მაღალსიჩქარიან არხებზე, რომლებიც სხვაგვარად ძალიან ნელა მუშაობდნენ.^[18][19]ასევე გავრცელებულია კვარცი-კრისტალური ოსცილატორები, ჩიპზე წინააღმდეგობის ტევადობის ოსცილატორები დაფაზაში ჩაკეტილი მარყუჟებიერთად ჩაშენებულიძაბვის კონტროლირებადი ოსცილატორებიგამოიყენება საათის გენერირებისთვის და მართვისთვის, ასევე მაღალსიჩქარიანი სერიალიზატორი-დესერიალიზატორისთვის (SERDES) გადაცემის საათებისა და მიმღების საათის აღდგენისთვის.საკმაოდ გავრცელებულია დიფერენციალურიშედარებითებიშეყვანის ქინძისთავებზე, რომლებიც შექმნილია დასაკავშირებლადდიფერენციალური სიგნალიზაციაარხები.Ცოტა "შერეული სიგნალიFPGA-ს აქვს ინტეგრირებული პერიფერიულიანალოგური ციფრული გადამყვანები(ADCs) დაციფრული ანალოგური გადამყვანები(DACs) ანალოგური სიგნალის კონდიცირების ბლოკებით, რომლებიც მათ საშუალებას აძლევს იმუშაონ როგორც aსისტემა-ჩიპზე(SoC).^[20]ასეთი მოწყობილობები ბუნდოვნავს ხაზს FPGA-ს შორის, რომელიც ატარებს ციფრულ ერთეულებს და ნულებს მის შიდა პროგრამირებადი ურთიერთდაკავშირების ქსოვილზე, დასაველე პროგრამირებადი ანალოგური მასივი(FPAA), რომელიც ატარებს ანალოგურ მნიშვნელობებს მის შიდა პროგრამირებადი ურთიერთდაკავშირების ქსოვილზე.

ლოგიკური ბლოკები[რედაქტირება]

მთავარი სტატია:ლოგიკური ბლოკი

ლოგიკური უჯრედის გამარტივებული მაგალითის ილუსტრაცია (LUT –საძიებო ცხრილი, FA -სრული შემკრები, DFF -D ტიპის ფლიპ-ფლოპი)

ყველაზე გავრცელებული FPGA არქიტექტურა შედგება მასივისაგანლოგიკური ბლოკები(ე.წ.I/O ბალიშებიდა არხების მარშრუტიზაცია.^[1]ზოგადად, ყველა მარშრუტიზაციის არხს აქვს იგივე სიგანე (სადენების რაოდენობა).მრავალი I/O ბალიშები შეიძლება მოერგოს მასივის ერთი მწკრივის სიმაღლეს ან ერთი სვეტის სიგანეს.

„აპლიკაციის წრე უნდა იყოს შედგენილი FPGA-ში ადექვატური რესურსებით.მიუხედავად იმისა, რომ საჭირო CLB/LAB-ების და I/O-ების რაოდენობა ადვილად განისაზღვრება დიზაინიდან, საჭირო მარშრუტიზაციის ტრასების რაოდენობა შეიძლება მნიშვნელოვნად განსხვავდებოდეს იმავე ლოგიკის მქონე დიზაინებშიც კი.(მაგალითად, აჯვარედინი გადამრთველიმოითხოვს ბევრად მეტ მარშრუტიზაციას, ვიდრე aსისტოლური მასივიიგივე კარის დათვლით.იმის გამო, რომ გამოუყენებელი მარშრუტიზაციის ბილიკები ზრდის ნაწილის ღირებულებას (და ამცირებს შესრულებას) ყოველგვარი სარგებლის გარეშე, FPGA მწარმოებლები ცდილობენ მიაწოდონ საკმარისი ტრასები ისე, რომ დიზაინის უმეტესობა მოერგოსსაძიებო ცხრილები(LUTs) და I/Os შეიძლება იყოსმარშრუტირებული.ეს განისაზღვრება ისეთი შეფასებებით, როგორიცაა აქედან მიღებულიქირავნობის წესიან არსებული დიზაინის ექსპერიმენტებით“.^[21]2018 წლის მდგომარეობით,ქსელი ჩიპზემუშავდება მარშრუტიზაციისა და ურთიერთდაკავშირების არქიტექტურები.^{[საჭიროა ციტატა]}

ზოგადად, ლოგიკური ბლოკი შედგება რამდენიმე ლოგიკური უჯრედისაგან (ე.წ. ALM, LE, slice და ა.შ.).ტიპიური უჯრედი შედგება 4 შეყვანის LUT-ისგან, aსრული შემკრები(FA) და აD ტიპის ფლიპ-ფლოპი.ისინი შეიძლება დაიყოს ორ 3-შეყვანის LUT-ად.Inნორმალური რეჟიმიისინი გაერთიანებულია 4-შეყვანის LUT-ში პირველის მეშვეობითმულტიპლექსერი(მუქს).Inარითმეტიკარეჟიმი, მათი გამოსავლები მიეწოდება დამამატებელს.რეჟიმის შერჩევა დაპროგრამებულია მეორე მუქსში.გამომავალი შეიძლება იყოს ანსინქრონულიანასინქრონული, დამოკიდებულია მესამე მუქსის პროგრამირებაზე.პრაქტიკაში, მთლიანი ან მისი ნაწილები არისინახება როგორც ფუნქციებიშევიდა LUT-ებში გადარჩენის მიზნითსივრცე.^[22][23][24]

მყარი ბლოკები[რედაქტირება]

თანამედროვე FPGA ოჯახები აფართოებენ ზემოაღნიშნულ შესაძლებლობებს და მოიცავს უფრო მაღალი დონის ფუნქციონირებას, რომელიც ფიქსირდება სილიკონში.ამ საერთო ფუნქციების ჩართვა წრედში ამცირებს საჭირო ფართობს და აძლევს ამ ფუნქციებს გაზრდილ სიჩქარეს ლოგიკური პრიმიტიულებისგან აშენებასთან შედარებით.მათ შორისაა მაგალითებიმამრავლები, ზოგადიDSP ბლოკები,ჩაშენებული პროცესორები, მაღალი სიჩქარით I/O ლოგიკა და ჩაშენებულიმოგონებები.

უმაღლესი დონის FPGA შეიძლება შეიცავდეს მაღალ სიჩქარესმრავალ გიგაბიტიანი გადამცემებიდამყარი IP ბირთვებიროგორიცააპროცესორის ბირთვები,Ethernet საშუალო წვდომის კონტროლის ერთეულები,PCI/PCI Expressკონტროლერები და გარე მეხსიერების კონტროლერები.ეს ბირთვები არსებობს პროგრამირებადი ქსოვილთან ერთად, მაგრამ ისინი აგებულიატრანზისტორებიLUT-ის ნაცვლად, ამიტომ მათ აქვთ ASIC დონეშესრულებადაენერგომოხმარებაქსოვილის რესურსების მნიშვნელოვანი მოხმარების გარეშე, რაც უფრო მეტ ქსოვილს ტოვებს აპლიკაციის სპეციფიკური ლოგიკისთვის.მრავალ გიგაბიტიანი გადამცემები ასევე შეიცავს მაღალი ხარისხის ანალოგური შეყვანის და გამომავალი სქემებს, მაღალსიჩქარიან სერიალიზატორებთან და დესერიალიზატორებთან ერთად, კომპონენტები, რომლებიც შეუძლებელია LUT-ისგან აშენებული.უმაღლესი დონის ფიზიკური ფენის (PHY) ფუნქციონალობა, როგორიცაახაზის კოდირებაშეიძლება განხორციელდეს ან არ განხორციელდეს სერიალიზატორებთან და დესერიალიზატორებთან ერთად მძიმე ლოგიკაში, ეს დამოკიდებულია FPGA-ზე.