Программируемые логические интегральные схемы. Горизонты современной электроники

Коробков С.М., Юрков Н.К. , Кочегаров И.И. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ. ГОРИЗОНТЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.

Проведен анализ выбора элементной базы при проектировании различного рода электронных устройств. Сделана оценка целесообразности применения программируемых логических интегральных схем при разработке систем нового поколения.

Современный мир является миром электронных технологий и требования к разрабатываемым устройствам постоянно возрастают. При проектировании устройств перед разработчиками встает множество проблем и одна из таких - поиск компромисса между скоростью и универсальностью. Микропроцессоры общего назначения способны исполнить любой алгоритм. При этом гибкость создания устройств на их основе позволяет достигнуть высоких результатов в экономических показателях. Однако по скорости их нельзя сравнить с заказными интегральными схемами, предназначенными для конкретных приложений, реализующих те и только те функции, которые необходимы для решения вполне конкретной задачи. При должной настройке заказных интегральных схем на данную проблему можно получить микросхему, которая будет значительно меньше и быстрее, чем универсальный программируемый микропроцессор.

Альтернативой заказным интегральным схемам и микропроцессорам является программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) -. такие аппаратные схемы, которые могут быть модифицированы практически в любой момент в процессе их использования. Это позволяет им выступать в роли универсального элемента, но в тоже время в них можно организовать алгоритмы цифровой обработки на аппаратном (схемном) уровне. При этом достигается значительное повышение скорости цифровой обработки.

История развития программируемых логических интегральных схем начинается с появления в начале 7 0х годов программируемых постоянных запоминающих устройств (ППЗУ) (Programmable Read Only Memory — PROM). Однако ПЛИС занимали весьма скромную нишу на рынке электронных компонентов. Это, в первую очередь, было связано с высокой стоимостью, небольшим быстродействием и малого количества эквивалентных логических вентилей. Лишь в 90-х годах ПЛИС получили новый толчок в своем развитии. В 1992 г. NASA впервые пременила FPGA в космических технологиях. В 1995 г. компании Altera и Xilinx начали выпуск FPGA-микросхем, обладающих достаточной мощностью для выполнения цифровой обработки сигналов. С этого момента FPGA начали активно использоваться в данной области.

Программируемые логические интегральные схемы в нынешнем мире являются одними из самых перспективных элементов цифровой схемотехники. Это электронные компоненты, используемые при проектировании цифровых интегральных схем. ПЛИС представляет собой кристалл, на котором расположено большое количество простых логических элементов. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задается посредством программирования. Соединение элементов осуществляется с помощью электронных ключей, расположенных в этом же кристалле. Электронные ключи управляются специальной памятью, в ячейки которой заносится код конфигурации цифровой схемы. Таким образом, записав в память ПЛИС определенные коды, можно собрать цифровое устройство любой степени сложности (это зависит от количества элементов на кристалле и параметров ПЛИС). Для программирования используются отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках.

Проектирование устройств с применением ПЛИС позволяет сократить время на разработку схем (ведущие мировые производители предлагают достаточно развитые бесплатные версии САПР) и устройств в целом, т.к. в отличии от обычных элементов цифровой схемотехники в этом случае отпадает необходимость в разработке и изготовлении сложных печатных плат, ПЛИС позволяют производить быстрое преобразование одной конфигурации цифровой схемы в другую. Как следствие, производство конструктивных улучшений устройства не требует изменения схемотехнического решения печатной платы (достаточно лишь занести в память ПЛИС конфигурационный код). Для проектирования устройств на основе ПЛИС не требуется сложное технологическое производство. Возможность конфигурирования при помощи персонального компьютера позволяет иногда называть эту технологию "фабрикой на столе". Некоторые производители ПЛИС предлагают процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, и затем встроены в ПЛИС, тем самым уменьшить место на печатной плате и упростив разработку для самой ПЛИС. Все это позволяет снизить затраты на проектирование устройств, повысить качество и надежность выпускаемой продукции.

На сегодняшний день выпускается достаточно большой ассортимент ПЛИС от ведущих фирм производителей.

Фирма Altera - микроэлектронная корпорация, одна из крупнейших разработчиков заказных и программируемых интегральных схем, была основана в 1983 г. Последними разработками данной компании являются FPGA устройства серии Stratix. Основанные на 40 нм технологии Stratix FPGA позволяют создавать высокопроизводительные и высокофункциональные устройства.

Корпорация Xilinx - американский разработчик и один из крупнейших производителей интегральных микросхем программируемой логики, основана в 1984 г. FPGA серии Virtex-6 с 40-нм к-МОП технологией представляет законченную платформу для системной интеграции. Используя высокую производительность, большое количество блоков ввода-вывода, с низкой стоимостью и низким энергопотреблением, позволяют создавать системы нового поколения.

Корпорация Actel - микроэлектронная корпорация, практически единственный массовый производитель высокоемких программируемых интегральных схем со встроенной ППЗУ. Actel предлагает FPGA как общего назначения, с пониженным энергопотреблением (серии IGLOO и ProASIC3), так и специализированные, устойчивые к воздействию радиации (серии RTAX, RT ProASIC3, RTSX).

Как видно из вышесказанного, ПЛИС широко используются для построения различных по сложности и возможностям цифровых устройств. Это приложения, где необходимо большое количество портов ввода-вывода (в некоторых моделях число портов ввода-вывода достигает больше тысячи), цифровая обработка сигнала, цифровая видео-аудио аппаратура, высокоскоростная передача данных (Stratix IV GT FPGA от корпорации Altera содержит устройство передачи данных на скорости 11,3 Gbps), криптография, в качестве мостов (коммутаторов) между системами с различной логикой и напряжением питания, построение систем для использования их в космическом пространстве, реализация нейрочипов. Последнему следует уделить особое внимание, т.к. построение «интеллектуальных» систем всегда было основной задачей как в военной, так и в гражданской промышленности.

Нейрочипы представляют собой интегральные схемы, построенные по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей. Нейронные сети - исключительно мощный метод моделирования, позволяющий воспроизводить чрезвычайно сложные зависимости. В частности, нейронные сети нелинейны по свой природе. На протяжение многих лет линейное моделирование было основным методом моделирования в большинстве областей, поскольку для него хорошо разработаны процедуры оптимизации. В задачах, где линейная аппроксимация неудовлетворительна (а таких достаточно много), линейные модели работают пло-

хо. Кроме того, нейронные сети справляются с проблемой размерности, которая не позволяет моделировать линейные зависимости в случае большого числа переменных

Номенклатура выпускаемых на сегодняшний день нейрочипов достаточно обширна. В мире насчитывается несколько десятков фирм, выпустивших или выпускающих различные коммерческие модификации нейрочипов. К ним относятся такие гиганты электронной индустрии как Intel, Sundance Multiprocessor Technology, Accurate Automation и многие другие.

Анализируя современное состояние рынка нейрочипов видно, что все коммерческие нейрочипы выполнены в виде СБИС, имеют высокую стоимость и мало доступны массовому пользователю. Использование универсальных процессоров для выполнения нейросетевого алгоритма неэффективно с точки зрения отношения производительность к стоимости, поскольку для сложных задач размеры нейронной сети велики, а разрядность входных сигналов и весов, как правило, не совпадает со стандартом универсального процессора (на данный момент это 32 бита). По этой причине возникает необходимость разработки специализированного аппаратного ускорителя нейросетевого алгоритма - нейрочипа. Ввиду узкой специализации нейросе-тевого алгоритма, его аппаратная реализация в виде заказной СБИС не требует организации серийного производства и достаточно дорога из чего следует, что наиболее эффективной аппаратной реализацией нейронной сети является реализация на программируемых логических интегральных схемах.

Большое количество внешних выводов ПЛИС, развитая структура быстродействующих межсоединений, повышенная скорость обмена между кристаллами в совокупности позволяют построить на основе ПЛИС законченный достаточно регулярный фрагмент нейронной сети, а затем, осуществляя каскадирование ПЛИС простым соединением указанных для аппаратного каскадирования выводов, создавать нейронные сети произвольной конфигурации и сложности.

Каскадирование может быть как физическим (каждый фрагмент располагается на отдельном кристалле), виртуальным (фрагмент зацикливается на одном кристалле), или смешанным. Выбор организации каскадирования напрямую зависит от задачи, поставленной перед разработчиком. Стоит лишь заметить, что при физическом каскадировании время решения задачи меньше времени решения при виртуальном каскадировании в число раз примерно равное числу физически реализованных фрагментов.

Таким образом, где низкая стоимость и высокая производительность являются основными критериями, применение ПЛИС станет лучшим вариантом при проектировании устройств.

Литература

1. http://www.actel.com/

2. http://www.xilinx.com/

3. http://www.altera.com/

4. Логовский А. Технология ПЛИС и ее применение для создания нейрочипов. http://www.osp.ru/os/2000/10/17 8242/_p3.html

5. Казанцев П.А., Остапенко Г.П., Галушкин А.И. Реализация фрагмента нейронной сети на ПЛИС Xilinx c возможностью изменения весов и функции активации в реальном времени.

6. http://www.autex.spb.ru/download/dsp/dspa/dspa2 0 0 4/t1_8 4.pdf

7. Грибачев В. Элементная база аппаратных реализаций нейронных сетей. http://www.kit-e.ru/articles/elcomp/2 0 0 6_8_10 0.php

8. Баркалов А.А. Исследование методов синтеза устройств управления на программируемых пользователем вентильных матрицах.

9. http://masters.donntu.edu.ua/2 0 05/fvti/tsololo/diss/dissertation.htm