CC BY
67Actel FAQ
Евгений КОТЕЛЬНИКОВ
Kotelnikov@actel.ru
С 20 по 22 апреля 2010 года в Москве, в выставочном центре «Крокус Экспо» проходила 13-я Международная выставка компонентов и комплектующих для электронной промышленности — «ЭкспоЭлектроника 2010», в которой принимали участие и специалисты фирмы А^еІ.
Стенд компании вызвал живой интерес у тех, кто побывал на выставке. Наши специалисты ответили на огромное количество вопросов, заданных посетителями и участниками. Некоторые вопросы повторялись так часто, что мы решили опубликовать ответы на них в виде статьи в журнале.
Чем отличаются друг от друга различные семейства ПЛИС Actel?
Для того чтобы разобраться в многообразии семейств ПЛИС Actel, обратимся к рисунку. На нем цвет рамки семейства ПЛИС показывает, какие максимально стойкие микросхемы доступны в семействе. Расшифровка уровней стойкости дана в условных обозначениях к рисунку.
Существуют следующие исполнения микросхем:
• ES (Engineering Silicon): прототип для работы при комнатной температуре.
• PROTO (прототип): микросхемы, изготовленные по технологии радиационно-стойких, которые не тестировались на устойчивость к радиации. Прототипы стоят значительно меньше, чем полностью протестированные аналоги, и используются в наземных испытаниях.
• C (Commercial — коммерческий): температурный диапазон от 0 до +70 °С.
• I (Industrial — промышленный): температурный диапазон от -40 до +80 °С.
• A (Automotive — автомобильный): температурный диапазон от -40 до +125 °C.
• M (Military — военный): температурный диапазон от -55 до +125 °C.
• B (класс B с приемкой): температурный диапазон от -55 до +125 °C, соответствующий стандарту MIL-STD-883 Class B (аналог отечественной приемки 5).
• E (для космической промышленности): температурный диапазон от -55 до +125 °C. Микросхемы изготавливаются в соответствии с требованиями Actel для микросхем, применяемых в космической промышленности, — Actel Space-Level Flow (аналог отечественной приемки 9).
• EV (для особо тяжелых условий эксплуатации): температурный диапазон от -55 до +125 °C. Эти микросхемы проходят более жесткие предпродажные испытания и соответствуют требованиям стандарта MIL-PRF-38535 Class V.
Все семейства не радиационно-стойких микросхем могут быть заказаны в дешевом коммерческом исполнении. Более подробно
о методике испытаний микросхем Actel можно узнать на сайте компании [1].
Семейства радиационно-стойких ПЛИС приведены в нижней части рисунка.
ПЛИС Actel делятся на две большие группы — однократно программируемые и многократно программируемые, позволяющие перепрограммировать их в системе. К перепрограммируемым (FLASH) относятся пять семейств:
• ProASICPLUS — ПЛИС второго поколения с максимальной тактовой частотой до 350 МГц, доступные в четырех исполнениях: от прототипов до класса B.
• ProASIC3 — ПЛИС третьего поколения, отличается от ProASICPLUS улучшенной внутренней архитектурой и значительно меньшим потреблением.
• IGLOO — ПЛИС для систем с тактовой частотой до 250 МГц, где низкое потребление энергии является главным требованием.
• Fusion — первая аналогово-цифровая система на кристалле, содержит не только ПЛИС, но и свободно конфигурируемый блок аналоговой обработки.
• SmartFusion — следующая версия Fusion, содержит ПЛИС, аналогово-цифровой блок и процессор CortexM3, совместимый с архитектурой ARM7, с развитой периферией: Ethernet 10/100, I2C, UART, SPI и т. п.
К однократно-программируемым относятся семейства (Antifuse):
• eX — очень маленькие ПЛИС.
• MX — небольшие ПЛИС, способные работать от одного источника питания 5 В.
• SX — ПЛИС среднего объема.
• Axcelerator — быстрые ПЛИС большого объема.
Большинство семейств ПЛИС Actel имеют подсемейства, позволяющие разработчику выбрать микросхему, оптимальную по объему, потреблению и количеству доступных выводов.
К радиационно-стойким (RT) семействам, рекомендованным для новых разработок, относятся три семейства ПЛИС. Это версии
ПЛИС Акте л
Перепрограммируемые ПЛИС
Аналогово-цифровые системы на кристалле
Fusion 350 МГц 1 500 ООО
SmartFusion 350 МГц 500 000
Однократно программируемые ПЛИС
ProASIC3 ProASIC0^ IGLOO еХ MX SX Axcelerator
350 МГц 350 МГц 250 МГц 350 МГц 250 МГц 350 МГц >500 МГц
3 000 000 1 000 000 3 000 000 12 000 54 000 72 000 2 000 000
Условные обозначения:
Название семейства Макс. рабочая частота Макс. кол-во системных вентилей
Цветом рамки обозначен класс исполнения микросхем:
I: —40...+80 °С В: -55...+125 °С MIL-STD-883 Class В
А: —40...+110 °С Е: —55...+125 °С Space Level М: —55...+125 °С EV: -55...+125 °С MIL-PRF 38535
Радиационно-стойкие ПЛИС
RT ProASIC3 RTSX-SU RTAX
350 МГц 310 МГц >500 МГц
3 000 000 108000 4 000 000
Рисунок. Семейства ПЛИС Actel
не радиационно-стойких ПЛИС, тестируемые на работу в условиях радиации. RT-версия в основном схожа с не радиационно-стойким прототипом, но может иметь некоторые отличия в функциональности, объеме и скорости. Так, например, RT-версия семейства Axcelerator имеет три подсемейства, в одном из них (а именно в RTAX-DSP) в программируемую матрицу внедрены аппаратные блоки умножения с накоплением, которые могут умножать числа разрядностью до 18 бит и накапливать результат до 40 бит. Эти блоки могут работать на частотах более 130 МГц. Полное число блоков умножения в RTAX-DSP колеблется от 64 до 120, таким образом, полное быстродействие системы, построенной на этой микросхеме, может превышать 15 000 MMACs (миллионов умножений с последующим накоплением результата, в секунду).
Все RT-версии однократно-программируемых микросхем имеют аппаратно троированные триггеры, с мажоритарной схемой подавления сбоев. Другими словами, вместо каждого триггера в таких матрицах стоит блок из трех работающих параллельно триггеров и мажоритарной схемы. Эта схема определяет, какой уровень должен быть на выходе блока, и асинхронно устанавливает сбившийся триггер в правильное состояние (например, если два, «запараллеленных» по входам триггера дают на выходе 1, а один — 0, то на выходе блока должна быть 1).
Что можно сказать о ценах на ПЛИС производства Actel?
В настоящее время микросхемы фирмы Actel используют в России в основном для работы в тяжелых радиационных условиях и в системах, требующих беспрецедентных уровней надежности. У большинства разработчиков гражданской аппаратуры сложилось мнение: «Микросхемы Actel — это не для меня». Однако по своим характеристи-
кам и уровню цен они вполне могут подойти для медицинских и бытовых применений. Кроме того, использование ПЛИС АСЙ в подавляющем большинстве случаев ведет к значительному снижению электропотребления системы и росту надежности. Для примера: цена на микросхему AGLN020V5-QNG68 составляет 350 руб. при покупке единичных экземпляров; цены на микросхемы семейства ProASIC3 можно оценить по стоимости микросхемы A3P030-VQ100, единичные образцы которой можно приобрести за 390 руб. Эти цены ориентировочные и могут быть снижены при покупке партии микросхем.
Отличным примером того, что увеличение цены микросхемы может вести к снижению цены устройства, является аналогово-цифровая ПЛИС семейства SmartFusion — A2F200M3F-FG256, которая стоит 1190 руб. Цена этой микросхемы выше, чем цена аналогичной классической ПЛИС. Однако, если принять во внимание, что вместо того, чтобы установить на плату ПЛИС и микроконтроллер, АЦП и ЦАПы, операционные и измерительные усилители, вам достаточно поставить всего одну микросхему, применение которой сэкономит место на плате и упростит разводку, то это уже может окупить ее применение. Но если в схему необходимо внести изменения, вы оцените преимущества A2F200M3F в полной мере: вам не придется копаться с паяльником в плате или резать дорожки. Все изменения могут быть сделаны за счет смены конфигурации, загружаемой в ПЛИС.
В чем принципиальное отличие микросхем Actel
от ПЛИС других производителей?
ПЛИС А<Ле1 отличаются от ПЛИС большого объема других производителей по технологии производства. В отличие от большинства других производителей ПЛИС, которые используют технологию SRAM (статического
ОЗУ) при изготовлении больших многократно программируемых интегральных схем, Actel выпускает многократно программируемые ПЛИС, выполненные по технологии FLASH. Эта одна из главных причин повышенной надежности и других достоинств этих ПЛИС. Для производства однократно программируемых ПЛИС Actel использует технологию Antifuse (восстановление перемычек за счет перехода кремния из аморфного, сла-бопроводящего состояния в кристаллическое с высокой проводимостью). В отличие от технологии пережигания перемычек, технология Antifuse [2] дает гарантию, что однажды запрограммированная перемычка никогда не изменит свое состояние.
Какие преимущества дает использование технологий Actel?
Основным отличием микросхем FLASH и Antifuse ПЛИС от SRAM-ПЛИС является то, что конфигурация хранится непосредственно внутри элементарной ячейки ПЛИС, в КМОП-транзисторе с плавающим затвором или в перемычке. Отсюда и основные преимущества таких микросхем: нет необходимости переносить информацию о прошивке из внешнего энергонезависимого ПЗУ, а следовательно, нет потока данных при включении и нет задержки между подачей питания и переходом микросхем в рабочее состояние, вызванной загрузкой конфигурации. ПЛИС Actel готовы к работе сразу после включения питания. Полностью исключена также возможность считывания прошивки сторонними разработчиками, например в целях хищения интеллектуальной собственности.
Одной из неприятных особенностей SRAM-ПЛИС является бросок тока (current surge) при включении питания, который вызван тем, что SRAM триггеры находятся в неопределенном состоянии, и требуется время и заряд для перехода их в стабильное состояние. По величине этот бросок тока часто более чем в 10 раз превышает рабочее потребление SRAM-ПЛИС. Эта неприятная особенность микросхем SRAM требует увеличения мощности источников питания и места, занимаемого ими на плате [3].
Поскольку в элементарную ячейку памяти FLASH входят всего 2 транзистора с объединенным затвором, площадь, занимаемая такой ячейкой на кристалле, примерно в 7 раз меньше, чем площадь, занимаемая SRAM-ячейкой. За счет этого ток потребления таких микросхем ниже.
Технология FLASH-ПЛИС позволяет изготавливать микросхемы с рекордно низкими уровнями потребления в статическом режиме, так, например, микросхема AGLN010 с 86 логическими ячейками и 260 доступными триггерами в корпусе размером 3x3 мм потребляет менее 2 мкВт в статическом режиме. Поскольку фирма Actel производит FLASH ПЛИС в течение многих лет, и основные усилия разработчиков на-
Таблица 1. Сравнение потребляемой мощности микросхем FLASH ПЛИС
Название микросхемы Мощность потребления в статическом режиме, мкВт Число логических ячеек Максимальное число триггеров Максимальная частота системы, МГц напряжение питания ядра, в би * >т О Самый маленький корпус Число выводов общего назначения Производитель
AGLN250 24 2048 6144 250 1,2/1,5 36 CS81 5x5 мм 68 Actel
XC2C256 38 256 256 256 1,8 0 CP132 8x8 мм 106 Xilinx
EPM240Z 45 240 240 152 1,8 0 0м 2 2 GA x6 CQ чэ 80 Altera
правлены на совершенствование технологии, Actel добилась выдающихся успехов в изготовлении малопотребляющих ПЛИС. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить характеристики микросхем Actel с микросхемами других производителей, выполненных по технологии FPGA (табл. 1).
Что означают термины радиационной стойкости, принятые в мировой космической промышленности?
Чтобы разобраться в тонкостях стандартов радиационной стойкости, нужно знать определение терминов. Они приведены в таблице 2. Необходимо дать некоторые пояснения к сложившейся терминологии [4]. Под действием радиации в микросхемах наблюдаются два вида отказов: одни происходят в результате накопления дозы радиации, другие происходят в результате попадания одной частицы. К первому типу отказов относятся, например, рост задержек внутри ИС или изменение логических уровней. Второй тип отказов принято называть одиночными событиями. К таким событиям относятся, например, SEL и SET, описанные в таблице. При облучении малоэнергетичными частицами такие явления не проявляются совсем, однако с ростом энергии падающих частиц частота одиночных событий растет. Действие высо-коэнергетичных частиц на вещество принято оценивать величиной LET — линейной передачи энергии, измеряемой в МэВ-см2/мг. LET, начиная с которого частицы будут вызывать одиночные события, называется пороговым уровнем LET (LETtll), и именно это значение приводится в документации. Например, SEU > 37 МэВ-см2/мг означает, что пороговое значение LET для SEU более 37 МэВ-см2/мг.
Практически все микросхемы Actel являются в той или иной степени радиационностойкими или имеют радиационно-стойкий аналог, кроме разве что многократно программируемых микросхем семейства IGLOO, аналогово-цифровых микросхем и однократно программируемых микросхем семейств eX и MX, которые не тестируются на стойкость к космическому гамма-излучению, облучению тяжелыми заряженными частицами и нейтронами высоких энергий. Actel выпускает два вида радиационно-стойких ПЛИС. К первому виду относятся многократно программируемые микросхемы семейства ProASIC3. Ко второму виду относятся однократно программи-
руемые микросхемы семейств RTAX и RTSX. Радиационно-стойкие микросхемы Айе1 обладают высокими техническими характеристиками, но требуют получения лицензий Государственного Департамента США на вывоз и поставку в Россию. Официальное представительство АСЙ в России, расположенное в Санкт-Петербурге, берет на себя все необходимые формальности по получению этих лицензий.
Почему микросхемы АсЄ обладают большей радиационной стойкостью, чем микросхемы многих других компаний?
Радиационно-стойкие микросхемы — это те микросхемы, которые не дают сбоев
и отказов в функционировании в условиях жесткого облучения, как при загрузке конфигурации, так и при работе загруженной конфигурации.
Отсутствие ошибок программирования при загрузке конфигурации ПЛИС Actel очевидным образом связано с отсутствием самой загрузки: данные о прошивке уже находятся в элементарных ячейках ПЛИС.
Отсутствие изменений конфигурации при работе в условиях жесткого облучения не менее важно, чем «чистая» загрузка этой конфигурации. Элементарная ячейка FLASH и тем более Antifuse практически не чувствительны к облучению заряженными частицами и нейтронами высоких энергий. Никакая тяжелая заряженная частица или нейтрон не могут изменить конфигурацию ПЛИС Actel потому, что для перепрограммирования FLASH и Antifuse ячеек требуется намного больше энергии, чем для изменения состояния SRAM-ячейки. Вот почему радиационная стойкость микросхем ACTEL на несколько порядков превосходит радиационную стойкость SRAM-ПЛИС. Желающие могут ознакомиться с результатами тестирования микросхем различных производителей на радиационную стойкость в документе [5].
Таблица 2. Термины радиационной стойкости
Термин Расшифровка Определение
Flux Поток частиц, частиц/(с-см2) Количество частиц, падающих на единичную площадку в единицу времени
Fluence Экспозиция, частиц/см2 Полное количество частиц, упавших на единицу площади
LET (Linear Energy Transfer) Линейная передача энергии, МэВ-см2/мг Потери энергии частицы вдоль трека, нормированные на плотность материала. LET = (1/p)dE/dx, где р — плотность материала; dE/dx — скорость падения энергии частицы
LET threshold Пороговый уровень LET Величина LET, начиная с которой проявляются одночастичные явления, вызванные ионизацией
TID (Total Ionizing Dose) Полная поглощенная (накопленная)доза Полная поглощенная (накопленная) доза ионизирующего излучения, измеряется в радах. 1 рад = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр
a (Error cross section) Сечение отказов, см2/бит а = Количество отказов/Экспозиция Типичные значения а для FLASH-микросхем лежат в диапазоне от 10-10 до 10-6 см2/бит
aSat (Asymptotic of saturation cross section) Максимальное сечение ошибки, или величина насыщения а, см2/бит Как правило, а растет с ростом LET сначала быстро, потом, при высоких уровнях LET, выходит на насыщение. ssat — это максимальное значение, к которому стремится а при повышении LET. В документации часто указывается пороговое значение LET. Существует два определения LETth: 1) Значение LET, при котором а = ssat/10. 2) LET, при котором а равна площади, занимаемой одним битом на кристалле. Эти определения часто дают близкие значения, однако в некоторых случаях LETt[1, вычисленные по разным формулам, могут сильно отличаться
SEL (Single Event Latch) Тиристорный эффект, вызванный ионизацией Переход микросхемы в состояние с высоким потреблением тока из-за тиристорного эффекта. Требуется обязательное снятие питания для восстановления из состояния SEL
SEB (Single Event Burnout) Выход микросхемы из строя, вызванный ионизацией Выход микросхемы из строя в результате перехода в состояние высокого потребления тока (SEL) и перегрева
SEGR (Single Event Gate Rupture) Выход ячейки из строя, вызванный ионизацией Выход из строя затвора или подзатворной области в результате перехода транзистора в состояние высокого потребления тока, обусловленного тиристорным эффектом
SET (Single Event Transient) Однократный восстанавливаемый отказ Кратковременное изменение состояния логического выхода, вызванное ионизирующим излучением
SEU (Single Event Upset) Однократный восстанавливаемый сбой памяти Обратимое изменение состояния регистра памяти ОЗУ или триггера, вызванные ионизацией. При описании чувствительности устройства к SEU в документации часто приводится пороговый уровень LET [МэВ-см2/мг], начиная с которого события SEU становятся заметными
SHE (Single Event Hard Error) Необратимое изменение состояния регистра, вызванное ионизацией Необратимое изменение состояния регистра памяти ОЗУ или триггера, вызванные ионизацией
SEFI (Single Event Functional Interrupt) Функциональный отказ в результате SEU Отказ в работе прибора, вызванный однократной ионизацией. Как правило, для устранения этого отказа требуется либо снятие и восстановление питания, либо перезагрузка системы
RH (Radiation Hard) Устойчивый к радиации Устройство, гарантированно сохраняющее работоспособность при дозе поглощенного излучения вплоть до заданной (обычно более 300 крад)
RT (Radiation Tolerant) Выдерживающий радиацию Устройство, гарантированно сохраняющее работоспособность при дозе поглощенного излучения вплоть до заданной (обычно в диапазоне от 100 до 300 крад)
RHBD (Radiation Hardened By Design) Устойчивый к радиации за счет дизайна Устройство, в котором для увеличения радиационной стойкости применяются специальные схемные/технологические решения, например, троирование триггеров со схемой восстановления после ошибок, применение RC-фильтров для устойчивости к импульсам тока, постоянный опрос конфигурации с ее восстановлением и т. д.
У FLASH ПЛИС компании Actel не наблюдаются изменение конфигурации и отказы, вызванные тиристорным эффектом, при уровнях облучения SEL>96 МэВ-см2/мг. Для получения близких значений надежности в микросхемах SRAM-ПЛИС необходимо использовать троирование всех регистров и постоянно регенерировать конфигурационные данные. Следовательно, ресурсы микросхем Actel идут в дело, а не на борьбу с радиацией. Например, если при тестировании на высоте 18 км у микросхем Actel не зарегистрированы сбои и отказы, то при тестировании микросхем, изготовленных по технологии SRAM, даже на уровне моря поток сбоев вполне заметен. FLASH ПЛИС Actel могут работать при дозах накопленной радиации вплоть до 25 крад, а если этого недостаточно, то можно использовать однократно программируемые микросхемы, выполненные по технологии Antifuse: семейство RTSX с радиационной стойкостью до 100 крад и ПЛИС большого объема семейства RTAX с радиационной стойкостью до 300 крад [6].
Могут ли возникнуть проблемы в работе системы, если ее построить на базе ПЛИС с низкой радиационной стойкостью, но поместить в защитный кожух?
Да, действительно, существует мнение, что можно заменить радиационно-стойкую микросхему не радиационно-стойкой, поместив последнюю в защитный корпус.
Давайте оценим, во что выльется такая замена. Известно, что накопленная доза падает с увеличением толщины защиты необычным на первый взгляд образом. Так, если 2-мм стенка алюминия снижает накопленную дозу на два порядка, то для того, чтобы понизить дозу еще на два порядка, потребуется уже 8-мм стенка [7, 8]. Такое «поведение» накопленной дозы объясняется тем, что в состав излучения входят частицы с различной энергией и проникающей способностью. Другой особенностью является то, что дозы радиации, накопленные за время выведения космического аппарата на орбиту и за время работы в течение одного года на геостационарной орбите, примерно равны [9]. Поэтому спутник, предназначенный для работы в космосе в течение двух лет, получит одну треть от предполагаемой поглощенной дозы еще до начала выполнения миссии на орбите [10].
Предположим, что размер платы, которую необходимо защитить, составляет 100x100x10 мм. Выберем в качестве защиты алюминиевый корпус с толщиной стенки 12 мм, который снизит поглощенную дозу примерно на 5 порядков. Объем верхней и нижней стенок корпуса составит по 120 см3, а объем боковых стенок — около 180 см3. Масса такого корпуса будет приблизительно равна 1,1 кг.
Для того чтобы вывести на геостационарную орбиту (ГСО) этот груз, необходимо за-
тратить энергию, которая может быть вычислена по формуле:
U = ^хМзхМгруза)(Шз-Щорб),
где G — гравитационная постоянная, равная 6,7x10-11 Н-м2/кг2; Мз — масса Земли, равная 6x1024 кг; Мгруза — масса груза (1,1 кг в наших расчетах); Rз — радиус Земли, равный 6,4x106 м; Rорб — радиус орбиты (4,2x107 м для ГСО).
Таким образом, для вывода на орбиту корпуса необходимо затратить энергию около 5,5x107 Дж.
Внутреннюю энергию ракетного топлива можно с некоторой долей оптимизма оценить как 5x106 Дж/кг [11]. Если учесть отличный от единицы КПД реактивного двигателя, увеличение массы баков для транспортировки горючего, а вдобавок еще и то, что потребуется дополнительное горючее, чтобы поднять этот избыточный вес, то получится, что при увеличении полезной нагрузки на каждый килограмм стартовая масса ракеты увеличится на 90-170 кг. Таким образом, за использование не радиационно-стойких микросхем в нашем примере придется заплатить увеличением стартовой массы космического корабля примерно на 100 кг. Причем надо помнить, что лишний балласт навсегда остается на борту космического аппарата, а это повлечет дополнительный расход топлива при любом маневрировании, что крайне нежелательно, особенно при работе аппаратов на ГСО, где требуется частая коррекция орбиты, а запас топлива ограничен.
С другой стороны, как показывает опыт [12], даже такое экранирование не дает гарантии безаварийной работы системы, поскольку экранирование лишь снижает вероятность попадания тяжелых заряженных частиц и нейтронов в кристалл, но не может гарантировать полное отсутствие облучения микросхемы. СОЗУ-ПЛИС, которые на несколько порядков более чувствительны к такого рода облучению, все равно будут давать сбои и отказы, что потребует введения схем восстановления (Scrubbing), которые, в свою очередь, желательно сделать радиационно-стойкими. Вот почему мы часто видим системы, построенные на микросхемах СОЗУ-ПЛИС других фирм, роль скраббера в которых выполняют ПЛИС фирмы Actel.
Как правило, разработчики идут на использование не радиационно-стойких ПЛИС взамен стойких из соображения экономии средств. Однако действительность такова, что в ответственных приложениях надо сравнивать цену блока управления не с ценой аналогичного блока с неподтвержденной надежностью, а с ценой, которую придется платить в случае отказа всей системы, включая все расходы, в том числе и расходы на ликвидацию последствий возможных катастроф.
Сейчас благодаря тому, что в России действует официальное представительство фирмы Actel, разработчики имеют возможность
переложить на него всю работу по подготовке и подаче документов в Государственный Департамент США для получения лицензий на поставку ПЛИС Actel в Россию, поэтому радиационно-стойкие микросхемы стали доступны для применения в отечественных разработках.
Что такое режим Flash&Freeze?
Режим Flash&Freeze позволяет мгновенно (менее чем за 1 мкс) «выключать» и «включать» микросхему Flash ПЛИС Actel без потери данных конфигурации и памяти, а также состояния всех регистров. Потребление микросхем Actel в режиме Flash&Freeze составляет единицы микроватт. Вход в режим может быть как асинхронным, по уровню, задаваемому на специализированном выводе микросхемы, так и синхронизированным с внутренними процессами ПЛИС. В этом случае сигналом перехода в низкопотребляющее состояние служит смена уровня на входе управления режимом Flash&Freeze, однако сам переход осуществляется только после того, как внутренняя логика ПЛИС подтвердит его возможность. Выход из режима Flash&Freeze всегда происходит по снятию активного уровня на входе управления режимом. Некоторые семейства ПЛИС Actel не только сохраняют состояние внутренних регистров микросхемы в режиме Flash&Freeze, но и могут поддерживать заранее определенные уровни на выводах микросхем: «ноль», «единица», «высокоимпедансное состояние» или уровень, который был на выходе в момент перехода в режим Flash&Freeze.
Почему большие проекты, которые не помещаются в ПЛИС других производителей, часто удается уложить в микросхемы Actel, с тем же количеством системных вентилей?
В отличие от большинства других многократно программируемых ПЛИС, где в элементарную ячейку входит комбинаторная часть и триггер, аналогичные микросхемы Actel имеют элементарную логическую ячейку, которая в зависимости от необходимости может быть сконфигурирована и как комбинаторная, и как триггерная только за счет изменения структуры связей внутри ячейки. Такая организация позволяет использовать до 100% внутренних ресурсов в проекте, в то время как при альтернативной организации в матрице, как правило, остаются неза-действованные триггеры или комбинаторные блоки, и общий коэффициент использования ресурсов ПЛИС колеблется в районе 70%.
Существуют ли микросхемы Actel, в которых есть встроенные АЦП?
Да, существуют, причем помимо собственно АЦП в состав микросхем входят и блоки подготовки аналогового сигнала. Это набор операционных и дифференциальных усилителей с программируемым коэффициентом
усиления. Для применений, в которых требуется не только цифровая, но и достаточно развитая аналоговая обработка сигналов, Actel предлагает два семейства аналогово-цифровых систем на кристалле. Это семейства Fusion и SmartFusion. Микросхемы этих семейств имеют в своем составе, помимо развитой цифровой части, включающей наличие ARM-совместимых процессоров и развитой периферии, несколько каналов аналогового ввода (а в семействе SmartFusion и вывода).
Можно ли защитить свою интеллектуальную собственность при предоставлении пользователю обновления прошивок ПЛИС?
Actel является пионером в производстве микросхем ПЛИС, которые позволяют сменить прошивку в системе заказчика без риска потери интеллектуальной собственности. Для этого в микросхемах Actel предусмотрено специальное 128-битное поле ключа, после программирования которого все действия с прошивкой осуществляются в кодированном виде. Раскодирование новой прошивки осуществляется внутри такой микросхемы аппаратно, в реальном времени при ее программировании. Кроме того, защищенная микросхема не может быть стерта без указания кода защиты. Кодирование информации производится по стандарту 128-bit Advanced Encryption Standard (AES) и является наиболее устойчивым против взлома решением из доступных в настоящее время для защиты прошивок ПЛИС.
Создаваемая система
должна быть очень компактной.
Что Actel может предложить в этой связи?
Actel выпускает микросхемы в огромном количестве различных корпусов, в том числе доступны корпуса типа UC — это BGA-корпуса с шагом 0,4 мм. Например, корпус UC36 имеет 36 выводов при размере 3x3 мм. Использование таких корпусов стало возможным в результате беспрецедентно низкого потребления ПЛИС Actel, в результате чего даже такие маленькие корпуса не нагреваются сколь-либо заметно во время работы.
Разрабатываемая система должна работать в широком температурном диапазоне. Можно ли подобрать ПЛИС Actel, которая удовлетворяла бы таким условиям?
Подавляющее число микросхем Actel работают в температурном диапазоне от -55 до +125 °С или имеют аналоги с таким температурным диапазоном. Только аналогово-цифровые системы на кристалле и микросхемы семейства IGLOO производятся в исполнениях C и I.
Для применения в аппаратуре, работающей в условиях повышенной радиации, доступны однократно программируемые микросхемы с требуемым температурным
ПЛИС
диапазоном с аппаратно троированными триггерами, работоспособные при дозе поглощенной радиации до 300 крад.
Сколько стоит среда разработки для работы с ПЛИС Actel?
Если вы решили попробовать работать с микросхемами фирмы Actel, не нужно ждать, пока вы получите купленную вами среду разработки: на сайте компании Actel вы можете совершенно бесплатно скачать интегрированную среду разработки Libero. Для того чтобы начать работать, достаточно установить программное обеспечение и зарегистрировать его на сайте Actel (регистрация не требует денежных затрат). Если файл лицензии не пришел вам по электронной почте в течение 30 минут, зайдите на сайт, скорее всего, вы сможете получить вашу лицензию с сайта быстрее, чем придет письмо. В результате вы абсолютно бесплатно получите версию среды разработки Libero-Gold. Ограничения этой версии по сравнению с платной следующие:
• Вы не можете создавать проект для микросхем с количеством системных вентилей более 1 500 000.
• Вы не можете одновременно использовать в одном проекте два языка описания — Verilog и VHDL, но вы можете создавать различные проекты на любом из них.
• Вы не можете увидеть исходный код бесплатно поставляемых IP-модулей.
Как видите, ограничения эти незначительны и, как правило, не сдерживают начинающего разработчика.
по телефону и проводит обучение специалистов на территории заказчика.
Заключение
Компания Actel производит микросхемы ПЛИС, сравнимые по цене с аналогами других производителей.
ПЛИС Actel, изготовленные по технологии FLASH, имеют ряд преимуществ перед ПЛИС, выполненными по технологии SRAM, а именно низкое энергопотребление, мгновенное включение, отсутствие ошибок загрузки.
Аналогово-цифровые системы на кристалле от Actel позволяют существенно уменьшить размеры плат электронных устройств и значительно облегчают настройку и модификацию устройств.
Однократно программируемые ПЛИС Actel, изготовленные по технологии Antifuse, имеют высокую радиационную стойкость и надежность, позволяющую использовать их в космических аппаратах с продолжительными миссиями. Заполнение необходимых бумаг для получения лицензий Государственного Департамента США на поставку этих микросхем в Россию берет на себя официальное представительство Actel.
Переход на ПЛИС Actel не потребует значительных затрат средств и времени, так как существует бесплатная среда разработки LiberoGold, а официальные представительства Actel в России и Украине оказывают всестороннюю поддержку разработчикам. ■
Литература
Я хочу «зашить» в ПЛИС Actel процессор, чтобы он управлял моей системой.
Как дорого мне это обойдется?
Если вас устроит один из процессоров — ARM, i8051, SPARC V8, или вам нужен очень простой процессор, занимающий минимум места в матрице ПЛИС, то не потребуется никаких денежных затрат: готовые IP-ядра этих процессоров доступны бесплатно. Actel не только производит микросхемы, но и оказывает помощь разработчикам устройств на всех стадиях проектирования и производства. Так, пользователям наших микросхем предоставляются IP-ядра процессоров и интерфейсов, разработанные в компании Actel. На рынке также представлено значительное количество IP-ядер партнеров компании. Интегрированная среда разработки Libero-Gold бесплатно доступна на сайте компании. Libero включает в себя весь необходимый набор модулей для создания, верификации, программирования и отладки, как собственно ПЛИС, так и встроенных IP или hardware процессоров и аналоговых блоков внутри микросхем Actel. Существует платная версия интегрированной среды Libero-Platinum, предназначенная для больших по-ектов (>1 500 000 системных вентилей). Actel осуществляет поддержку пользователей
1. Описание микросхем семейства Actel RTAX_ DSP — http://www.actel.com/documents/RTAX_ DSP_PB.pdf
2. Карпов C. Actel: новые технологии, передовые решения // Электроника: НТБ. 2007. № 7.
3. Описание микросхем Altera Cyclone III — http:// www.altera.com/literature/ds/es_cyciii.pdf
4. Gardner D. Programmable logic: understanding the risks in military and aerospace applications // Microelectronics & Aerospace Electronics. October, 2005 — http://mae.pennnet.com/Articles/ Article_Display.cfm? Section=ARTCL&ARTICLE_ ID=238663&VERSION_NUM=2&p=32
5. http://www.actel.com/documents/ RadResultsIROCreport.pdf
6. Scouras I. Antifuse FPGAs offer cost-effective alternative to rad-hard ASICs — www.eeproductcenter. com/showArticle.jhtml? articleID=165700951
7. Энциклопедия. Новые наукоемкие технологии в технике. Том 16. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / Редакторы тома: Л. С. Новиков, М. И. Панасюк. 2000.
8. Кузнецов Н. В., Ныммик Р. А., Панасюк М. И., Сосновец Э. Н., Тельцов М. В. Регистрация и прогнозирование поглощенных доз радиации от потоков солнечных протонов на борту орбитальных станций // Космические исследования. 2004. Т. 42. № 3.
9. Кузнецов Н. В., Панасюк М. И. Космическая радиация и прогнозирование сбое- и отказоустойчивости интегральных микросхем в бортовой аппаратуре космических аппаратов // Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ). Серия «Радиационное воздействие на радиоэлектронную аппаратуру». 2001. Вып. 1-2.
10. ГОСТ 25645.138-86. Пояса Земли радиационные.
Пространственно-энергетические характеристи-
ки плотности потоков протонов. М.: Издательство стандартов, 1987; ГОСТ 25645.139-86. Пояса Земли радиационные. Пространственноэнергетические характеристики плотности потоков электронов. М.: Издательство стандартов, 1987; ГОСТ 25645.150-90. Галактические космические лучи. Модель изменения потоков частиц. М.: Издательство стандартов, 1991; ГОСТ Р 25645. 165-20-01. Лучи космические сол-
нечные. Вероятностная модель потоков протонов. М.: Издательство стандартов, 2001.
11. http://rocketpolk44.narod.ru/toplivo.htm
12. Пичхадзе К. М., Хамидуллина Н. М., Зефиров И. В. Расчет локальных доз с учетом реальной конфигурации космического аппарата. Актуальные вопросы проектирования космических систем и комплексов: сборник научных трудов. М.: НПО им. С. А. Лавочкина, 2004.
