Componente elettronico chip IC circuito integrato XC5VLX110-1FFG1153C FPGA Virtex-5

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Array di porte programmabili sul campo

UNarray di porte programmabili sul campo(FPGA) è uncircuito integratoprogettato per essere configurato da un cliente o da un progettista dopo la produzione – da qui il termineprogrammabile sul campo.La configurazione FPGA viene generalmente specificata utilizzando alinguaggio di descrizione dell'hardware(HDL), simile a quello utilizzato per uncircuito integrato specifico per l'applicazione(ASIC).Schemi elettricivenivano precedentemente utilizzati per specificare la configurazione, ma questo è sempre più raro a causa dell'avvento diautomazione della progettazione elettronicautensili.

Gli FPGA contengono una serie diprogrammabile blocchi logicie una gerarchia di interconnessioni riconfigurabili che consentono di collegare insieme i blocchi.I blocchi logici possono essere configurati per eseguire operazioni complessefunzioni combinatorieo agire in modo sempliceporte logichePiaceEEXOR.Nella maggior parte degli FPGA sono inclusi anche i blocchi logicielementi di memoria, il che potrebbe essere sempliceinfraditoo più blocchi di memoria completi.^[1]Molti FPGA possono essere riprogrammati per implementazioni diversefunzioni logiche, consentendo flessibilitàcalcolo riconfigurabilecome eseguito insoftware per il computer.

Gli FPGA hanno un ruolo notevole insistema incorporatosviluppo grazie alla loro capacità di avviare lo sviluppo del software di sistema contemporaneamente all'hardware, consentire simulazioni delle prestazioni del sistema in una fase molto iniziale dello sviluppo e consentire varie prove di sistema e iterazioni di progettazione prima di finalizzare l'architettura del sistema.^[2]

Storia[modificare]

Da qui è nata l'industria degli FPGAmemoria di sola lettura programmabile(PROM) edispositivi logici programmabili(PLD).Sia PROM che PLD avevano la possibilità di essere programmati in lotti in fabbrica o sul campo (programmabili sul campo).^[3]

Alteraè stata fondata nel 1983 e nel 1984 ha fornito il primo dispositivo logico riprogrammabile del settore, l'EP300, che presentava nella confezione una finestra al quarzo che consentiva agli utenti di illuminare il die con una lampada a raggi ultravioletti per cancellare ilEPROMcelle che contenevano la configurazione del dispositivo.^[4]

Xilinxha prodotto il primo programmabile sul campo commercialmente fattibileschiera di portenel 1985^[3]– l'XC2064.^[5]L'XC2064 aveva cancelli programmabili e interconnessioni programmabili tra cancelli, l'inizio di una nuova tecnologia e di un mercato.^[6]L'XC2064 aveva 64 blocchi logici configurabili (CLB), con due a tre ingressitabelle di ricerca(LUT).^[7]

Nel 1987, ilCentro di guerra navale di superficieha finanziato un esperimento proposto da Steve Casselman per sviluppare un computer che implementasse 600.000 porte riprogrammabili.Casselman ebbe successo e nel 1992 fu rilasciato un brevetto relativo al sistema.^[3]

Altera e Xilinx continuarono incontrastate e crebbero rapidamente dal 1985 alla metà degli anni '90, quando spuntarono i concorrenti, erodendo una parte significativa della loro quota di mercato.Nel 1993 Actel (oraMicrosemi) serviva circa il 18% del mercato.^[6]

Gli anni '90 sono stati un periodo di rapida crescita per gli FPGA, sia in termini di sofisticazione dei circuiti che di volume di produzione.All'inizio degli anni '90, gli FPGA venivano utilizzati principalmente intelecomunicazioniErete.Entro la fine del decennio, gli FPGA trovarono la loro strada nelle applicazioni consumer, automobilistiche e industriali.^[8]

Nel 2013, Altera (31%), Actel (10%) e Xilinx (36%) rappresentavano insieme circa il 77% del mercato FPGA.^[9]

Aziende come Microsoft hanno iniziato a utilizzare gli FPGA per accelerare sistemi ad alte prestazioni e ad alta intensità di calcolo (come ilCentri datiche gestiscono il loroMotore di ricerca Bing), dovuto alprestazioni per wattvantaggio offerto dagli FPGA.^[10]Microsoft ha iniziato a utilizzare gli FPGA peraccelerareBing nel 2014 e nel 2018 hanno iniziato a distribuire FPGA in altri carichi di lavoro dei data center per i propri scopi.Azzurro cloud computingpiattaforma.^[11]

Le seguenti tempistiche indicano i progressi in diversi aspetti della progettazione FPGA:

Cancelli

• 1987: 9.000 cancelli, Xilinx^[6]
• 1992: 600.000, Dipartimento per la guerra di superficie navale^[3]
• Primi anni 2000: milioni^[8]
• 2013: 50 milioni, Xilinx^[12]

Dimensioni del mercato

• 1985: Primo FPGA commerciale: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 milioni di dollari^[6]
• C.1993: >385 milioni di dollari^{[6][verifica fallita]}
• 2005: 1,9 miliardi di dollari^[13]
• Stime 2010: 2,75 miliardi di dollari^[13]
• 2013: 5,4 miliardi di dollari^[14]
• Stima 2020: 9,8 miliardi di dollari^[14]

Inizia la progettazione

UNinizio della progettazioneè un nuovo design personalizzato per l'implementazione su un FPGA.

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

Progetto[modificare]

Gli FPGA contemporanei dispongono di grandi risorseporte logichee blocchi RAM per implementare calcoli digitali complessi.Poiché i progetti FPGA utilizzano velocità di I/O molto elevate e dati bidirezionaliautobus, diventa una sfida verificare la corretta tempistica dei dati validi entro il tempo di configurazione e il tempo di attesa.

Pianificazione del pianoconsente l'allocazione delle risorse all'interno degli FPGA per soddisfare questi vincoli temporali.Gli FPGA possono essere utilizzati per implementare qualsiasi funzione logica che unASICpuò eseguire.La possibilità di aggiornare la funzionalità dopo la spedizione,riconfigurazione parzialedi una parte del disegno^[17]e i bassi costi di progettazione non ricorrenti rispetto a un progetto ASIC (nonostante il costo unitario generalmente più elevato), offrono vantaggi per molte applicazioni.^[1]

Alcuni FPGA hanno caratteristiche analogiche oltre a funzioni digitali.La funzione analogica più comune è programmabilevelocità di rotazionesu ciascun pin di uscita, consentendo all'ingegnere di impostare velocità basse su pin leggermente caricati che altrimenti lo farebberosquilloOcoppiainaccettabilmente e di impostare velocità più elevate su pin fortemente caricati su canali ad alta velocità che altrimenti funzionerebbero troppo lentamente.^[18][19]Sono comuni anche i quarzioscillatori a cristallo, oscillatori resistenza-capacità su chip eanelli ad aggancio di fasecon incorporatooscillatori controllati in tensioneutilizzato per la generazione e la gestione del clock, nonché per il serializzatore-deserializzatore ad alta velocità (SERDES) trasmettono i clock e il ripristino del clock del ricevitore.Abbastanza comuni sono differenzialicomparatorisui pin di ingresso progettati per essere collegatisegnalazione differenzialecanali.Alcuni "segnale mistoGli FPGA” hanno periferiche integrateconvertitori analogico-digitali(ADC) econvertitori digitale-analogico(DAC) con blocchi di condizionamento del segnale analogico che consentono loro di funzionare come asistema su chip(SoC).^[20]Tali dispositivi offuscano il confine tra un FPGA, che trasporta uni e zeri digitali sulla sua struttura di interconnessione programmabile interna, earray analogico programmabile sul campo(FPAA), che trasporta valori analogici sulla sua struttura di interconnessione programmabile interna.