Тенденция развития программируемых логических интегральных схем

Волощенко А.

Пензенский государственный университет

ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС, англ. Programmablelogicdevice, PLD) -

электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных микросхем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задается посредством программирования. Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др. [2].

История развития программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) начинается с появления вначале 70-х гг. программируемых постоянных запоминающих устройств (ППЗУ - Programmable Read Only Memory - PROM). Первое время PROM использовались исключительно для хранения данных, позже их стали применять для реализации логических функций. Однако необходимость приведения логических функций к совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ) не позволяло применять PROM для реализации функций больших размеров. Специально для реализации систем булевых функций (СБФ) большого числа переменных были разработаны и с 1971 г. стали выпускаться промышленностью программируемые логические матрицы (ПЛМ - Programmable Logic Arrays - PLA), которые получили широкое распространение в качестве универсальной элементной базы цифровых устройств. Совершенствование архитектуры PLA привело к появлению программируемых матриц логики (ПМЛ - Programmable Array Logics - PALs), которые до настоящего времени определяют архитектуру PLD. Дальнейшее совершенствование технологии производства интегральных схем в начале 90-х годов привело к возможности реализации на одном кристалле нескольких PAL, объединяемых программируемыми соединениями. Подобные архитектуры получили название сложных ПЛУ (ComplexPLD - CPLD). Параллельно с PLD развивались интересующие нас архитектуры вентильных матриц (Gate Array - GA) и матриц логических ячеек (Logic Cell Array - LCA), в русскоязычной литературе получившие название базовых матричных кристаллов (БМК). Первые вентильные матрицы были полузаказными, то есть программировались во время изготовления, что сильно сдерживало их широкое использование. Однако в 1985 г. фирма Xilinx выпустила программируемую пользователем вентильную матрицу (Field Programmable Gate Array - FPGA). Это дало сильный толчок к широкому распространению вентильных матриц и конкуренции их с PLD. В настоящее время число вентилей на кристалле достигло 2 миллиардов, число выводов - 2000, а быстродействие находится на уровне 0,75 наносекунд.[1].

Типы ПЛИС

PAL (англ. Programmable Array Logic) — программируемый массив (матрица) логики. В СССР PLA и PLM не различались и обозначились как ПЛМ. Разница между ними состоит в доступности программирования внутренней структуры (матриц) ПЛМ.

GAL(англ. Gate Array Logic) - это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу "И" и фиксированную матрицу "ИЛИ", у ПЛИС GAL на выходе имеется триггер. К этому классу относятся широкая номенклатура ПЛИС относительно небольшой степени интеграции.

CPLD (англ. ComplexProgrammableLogicDevice — сложные программируемые логические устройства) содержат относительно крупные программируемые логические блоки — макроячейки, соединённые с внешними выводами и внутренними шинами. Функциональность CPLD кодируется в энергонезависимой памяти, поэтому нет необходимости их перепрограммировать при включении.

FPGA (англ. Field-ProgrammableGateArray) содержат блоки умножения-суммирования, которые широко применяются при обработке сигналов (DSP), а также логические элементы и их блоки коммутации. [2] .

Рисунок 1 - На рисунке показан ПЛИС типа PAL

Рисунок 2 - На рисунке показан CPLD ПЛИС Altera MAX 7128, эквивалентная 2500 вентилям

Рисунок 3 - На рисунке FPGA ПЛИС AlteraCyclone

Множество компаний в мире занято производством цифровых устройств на основе ПЛИС и использованием их в своих системах. В данном разделе перечисляются и кратко описываются основные производители современных вычислительных систем на основе ПЛИС и комплектующих к ним. Самые популярные из них: Xilinx, Altera, Achronix. [3].

Производители ПЛИС

Xilinx - американский разработчик и производитель интегральных микросхем программируемой логики (ПЛИС, FPGA).Основанная в 1984 г. Американская компания Xilinx является одним из лидеров в области производства ПЛИС-микросхем. Доля Xilinx на мировом рынке ПЛИС составляет, по данным самой компании, 51%. На данный момент у этой компании существует несколько серий выпускаемой аппаратуры для разного рода вычислений: - Virtex. Высокопроизводительные ПЛИС на основе FPGA, призванные заменить специализированные интегральные схемы при решениях различных ресурсоемких задач. - Spartan. Более дешевые и менее производительные ПЛИС FPGA, разработанные для использования в устройствах, рассчитанных на большие тиражи и невысокую стоимость комплектующих. - CoolRunner и XC9500. Серии ПЛИС типа CPLD, предназначенных для использования в различных портативных устройствах - мобильных телефонах, GPS-навигаторах, КПК и т.д. Для микросхем данного типа главными критериями является минимизация размеров и потребляемой мощности. Для работы с представленными микросхемами компания Xilinx предоставляет различные программные средства для реализации цифровых схем, для разработки встраиваемых программируемых процессорных систем, а также для отладки и повышения производительности. Помимо собственно разработки микросхем, компания Xilinx уделяет боль-

шое внимание цифровой обработке сигналов, разработке различных IP-ядер для использования в микросхемах, созданию встроенных процессоров и др.

Altera - одна из крупнейших разработчиков ASIC, программируемых логических интегральных схем(ПЛИС), была основана в 1983 г.Компания Altera является основным конкурентом компании Xilinx, причем по всем основным направлениям. Главное из них - это производство ПЛИС как типа FPGA, так и типа CPLD. В мае 2008 г. Altera представила новое семейство из серии Stratix высокопроизводительных микросхем типа FPGA - Stratix IV, работающих на 40-нм архитектуре. Для менее ресурсоемких задач компания Altera предлагает серию ПЛИС FPGA Cyclone. Компания Altera занимается разработкой разнообразного ПОдля работы с их микросхемами, среди которых основным программным продуктом является пакет программ Quartus II, который предоставляет различные средства для проектирования и анализа структуры микросхем, а также для оптимизации затрат по потребляемой мощности.

AchronixSemiconductor - частная компания без собственных производственных мощностей, расположенная в Сан-Хосе, штат Калифорния (США). Achronix проектирует самые быстрые в мире программируемые логические матрицы FPGA с использованием уникальной запатентованной полупроводниковой технологии. В отличие от многих производителей ПЛИС, компания AchronixSemiconductor при производстве ПЛИС FPGA делает ставку не на низкую стоимость и энергопотребление, а на высокую производительность и надежность. Выпускается две серии микросхем: - Серия Achronix-Ultra с частотой до 2.2 ГГц, что является рекордным значением для ПЛИС.- Серия Achronix-Xtreme с частотой около 1 ГГц, устойчивых к радиационному излучению и предназначенных для работы в большом температурном диапазоне - от -260 °С до +130 °С.Причиной появления столь высокой тактовой частоты является использование асинхронной технологии - элементы микросхемы не синхронизированы между собой. Асинхронность скрыта от пользователя под уже синхронизированной аппаратной и программной инфраструктурой. В 01.11.2010 г. Компания AchronixSemiconductor объявила о стратегическом доступе к производственным мощностям корпорации Intel с передовым техпроцессом 22 нм. Договоренности позволяют разместить производство программируемых матриц Achronix FPGA нового поколения Speedster22i на производственных мощностях Intel с техническими нормами 22 нм. Как становится понятным из вышеперечисленных свойств выпускаемых данной компанией микросхем, основными целевыми отраслями являются сферы, требующие большой вычислительной мощности и/или работы в экстремальных условиях. Это аэрокосмическая и военная промышленности, высокопроизводительные вычисления, а также сфера коммуникаций и цифровая обработка сигналов. [3].

Сфера применения

При разработке оригинальной аппаратуры, а также для замены обычных ИС малой и средней степени интеграции. При этом значительно уменьшаются размеры устройства, снижается потребляемая мощность и повышается надежность.

Наиболее эффективно использование ПЛИС в изделиях, требующих нестандартных схемотехнических решений. В этих случаях ПЛИС даже средней степени интеграции (24 вывода) заменяет, как правило, до 10-15 обычных интегральных микросхем.

Другим критерием использования ПЛИС является потребность резко сократить сроки и затраты на проектирование, а также повысить возможность модификации и отладки аппаратуры. Поэтому ПЛИС широко применяется в стендовом оборудовании, на этапах разработки и производства опытной партии новых изделий, а также для эмуляции схем, подлежащих последующей реализации на другой элементной базе, в частности БМК.

Отдельная область применения ПЛИС - проектирование на их основе устройств для защиты программного обеспечения и аппаратуры от несанкционированного доступа и копирования. ПЛИС обладают такой технологической особенностью, как "бит секретности", после программирования, которого схема становится недоступной для чтения. Обычно применение одной-двух ПЛИС средней степени интеграции оказывается вполне достаточной для надежной защиты информации.

Наиболее широко программируемые логические ИС используются в микропроцессорной и вычислительной технике. На их основе разрабатываются контроллеры, адресные дешифраторы, логика обрамления микропроцессоров, формирователи управляющих сигналов и др. На ПЛИС часто изготавливают микропрограммные автоматы и другие специализированные устройства, например, цифровые фильтры, схемы обработки сигналов и изображения, процессоры быстрого преобразования функций Фурье и т.д. В технике связи ПЛИС применяются в аппаратуре уплотнения телефонных сигналов. Применение ПЛИС становится актуальным еще и потому, что у разработчиков зачастую нет необходимых стандартных микросхем .

Создание нейрочипов.

Перспективы развития

Развитие элементной базы программируемых ПЛИС открывает широкие возможности для построения разнообразных цифровых устройств. Малое время внесения изменений в структуру уже готового проекта делает ПЛИС предпочтительными, прежде всего в новых разработках и исследованиях, характеризующихся итеративным подходом к проектированию системы. Промышленность программируемой логики развивается высокими темпами. Ведущие производители ПЛИС, внедряя передовые технологии, выпускают схемы, обладающие повышенным быстродействием и все большим количеством вентильных элементов, низким энергопотреблением и небольшой ценой. Успешно решаются задачи интеграции процессорного ядра и программируемой логики. Расширяются сферы применения ПЛИС, являющихся альтернативой ASIC и DSP. Растет число используемых решений IP, адаптированных к возможностям конкретных ПЛИС компаний-производителей.[4]

ЛИТЕРАТУРА

1. Соловьев В.В. Проектирование цифровых схем на основе ПЛИС. - М.:Горячая линия-Телеком,

2001. 636с.

2. Википедия - энциклопедия (ru.wikipedia.org/wiki/ПЛИС).

3. Parallelru - информационно-аналитический центр по параллельным вычислениям (http://www.parallel.ru/FPGA/vendors.html).

4. Школа схемотехнического проектирования устройств обработки сигналов. Стешенко В. Б. Компоненты и технологии, № 3-6, 2000.