CC BY
42786 www.finestreet.ru компоненты ПЛИС
Владимир ВЫЧУЖАНИН
Vint53@list.ru Илья ТАРАСОВ, к. т. н.
tile@kc.ru
Новые семейства ПЛИС
фирмы Actel
В статье рассматриваются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) корпорации Actel. Приводятся технические характеристики микросхем, области их применения и тенденции развития.
Описание архитектуры ПЛИС фирмы Actel
Производство программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) представляет собой один из самых динамично развивающихся сегментов рынка современной микроэлектроники. Состояние дел в этой области позволяет говорить о том, что первый этап ознакомления разработчиков с продукцией и определения ниш ее применения практически завершился. Он характеризовался массовым применением дешевых коммерческих технологий. Однако в связи с постоянной необходимостью применения изделий программируемой логики в устройствах повышенной надежности имеет смысл провести дифференциацию имеющихся на рынке ПЛИС изделий и рассмотреть специализированные решения для сектора высоконадежных устройств. К последним, очевидно, относятся микросхемы корпорации Actel, предназначенные для жестких условий эксплуатации.
Наиболее распространенными архитектурами ПЛИС в настоящее время являются FPGA (Field-Programmable Gate Array) и CPLD (Complex Programmable Logic Devices). Первая из упомянутых архитектур является флагманской в смысле достижения наибольшей емкости кристалла и рабочей частоты. На базе этой архитектуры изготавливаются такие продукты для коммерческого рынка, как Spartan и Virtex фирмы Xilinx, а также Cyclone и Stratix фирмы Altera. Несмотря на то что аббревиатура CPLD расшифровывается как сложные (complex) программируемые микросхемы, их архитектура по сравнению с FPGA более проста. Другим отличием является способ хранения конфигурации: FPGA используют статическую память, требующую внешнего энергонезависимого устройства, тогда как CPLD содержат на кристалле энергонезависимую память (как правило, Flash), обеспечивающую загрузку конфигурации ПЛИС сразу после включения питания.
Вместе с тем вышеупомянутые «стандартные» архитектурные решения, при всей их распространенности и технологической от-лаженности, имеют «врожденные» недостат-
ки, препятствующие их использованию в устройствах повышенной надежности, например таких, как бортовая аппаратура спутников.
В этой связи интерес представляют новые продукты фирмы Actel, которые сочетают хранение конфигурации в распределенной по кристаллу энергонезависимой памяти с архитектурой современных FPGA-устройств. В архитектуре FPGA корпорации Actel энергонезависимыми являются сами конфигурационные ячейки, тогда как в большинстве CPLD других производителей конфигурация изначально хранится во флэш-памяти, расположенной на кристалле CPLD в виде отдельного блока и загружается оттуда в конфигурационное ОЗУ при включении питания.
Корпорация Actel, штаб-квартира которой расположена в г. Маунтин-Вью (США, Калифорния), занимает третье место в мире по объему продаж ПЛИС и специализируется на выпуске продукции для применения в военных и аэрокосмических устройствах. Такая специализация вполне понятна, если учесть, что энергонезависимые распределенные конфигурационные ячейки имеют гораздо лучшую помехоустойчивость по сравнению со статической памятью. Основной продукцией этой фирмы долгое время являлись однократно программируемые ПЛИС для тяжелых условий эксплуатации: программируемые по Antifuse-технологии семейства Axcelerator, eX, SX/SX-A, MX, а также однократно программируемые, радиационно-стойкие (Radiation Tolerant) семейства RT1020/1280 и RTAX. Данные серии FPGA сочетают полезные свойства, характерные для заказных и полузаказных схем (ASICs, Gate Arrays) с возможностью самостоятельного программирования разработчиком, присущей коммерческим FPGA. При этом, однако, маршрут проектирования дизайна для таких FPGA больше соответствовал маршруту проектирования для классических ASIC, что, несомненно, отпугивало разработчиков, привыкших к маршруту разработки коммерческих FPGA с возможностью практически неограниченного количества
загрузок прошивки ПЛИС при отладке дизайна изделия. При проектировании же дизайна на однократно программируемых FPGA каждая ошибка разработчика приводит к потере микросхемы, которая может стоить немалых денег. (Хотя даже в этом случае цена ошибки несоизмеримо ниже, чем в случае использования заказных схем — ASIC или Gate Array.)
Для устранения недостатка, связанного с однократным программированием FPGA, корпорация Actel приобрела фирму Gatefield и ее технологию изготовления флэш-ключа. Результатом стало появление семейств ProASIC, ProASIC™5 и, наконец, недавнее появление новейшего семейства ProASIC3/3E, использующих распределенные по кристаллу флэш-ключи для хранения конфигурации FPGA. Схема конфигурационной ячейки представлена на рис. 1.
\ Сч / \ итыва Плавающий ние _Г затвор > 1 Вход ключа Переключение
х 1 1 ' Выход ключа
Рис. 1. Схема конфигурационной ячейки ПЛИС Actel
Вместе с тем продолжается выпуск и однократно программируемых устройств, что может вызвать недоумение со стороны разработчиков, знакомых только с широко распространенными коммерческими FPGA. Однако напоминаем, что речь идет об элементной базе для военных и аэрокосмических применений, где стоимость одной микросхемы не является определяющим показателем. Гораздо важнее то, что надежность однократно программируемых конфигурационных ячеек, выполненных по технологии А^Игее, крайне высока.
Рассмотрим номенклатуру современных изделий Айе1 и их основные технические характеристики.
ПЛИС
компоненты і 87
Рис. 2. Архитектура ПЛИС ProASIC3E
Рис. 3. Логическая ячейка ПЛИС ProASIC3E (VersaTile)
LUT-3 Equivalent D-Flip-Flop with Clear or Set Enable D-Flip-Flop with Clear or Set
Х1— Data — —Y Data —
Х2— LUT-3 —Y CLK — > D-FF CLK — > D-FF
хз— CLR — Enable —
CLR
Рис. 4. Варианты использования логической ячейки ПЛИС ProASIC3E
Новые семейства ПЛИС фирмы Actel
До недавнего времени широко распространенные коммерческие FPGA имели более удобный маршрут проектирования, чем ASIC и подобные им устройства. Это удобство обеспечивалось наличием бесплатных средств разработки, программированием через интерфейс JTAG с неограниченным числом загрузки прошивок, а также встроенными средствами диагностики и отладки дизайна. Все это заставляло разработчиков, особенно отечественных, применять коммерческие FPGA повсеместно, даже там, где требуется надежность, достижимая только на платформах БМК и ASIC. Сформировавшийся круг технических решений, публикаций и технической литературы освещал именно «классические» ПЛИС, в основном производства Xilinx и Altera. Поэтому такие устройства, как, к примеру, Antifuse-FPGA, являлись скорее крайним средством, применение которого могло диктоваться в основном жесткими условиями эксплуатации, но вряд ли соображениями удобства разработки или экономической эффективности. Что же изменили в этой области последние продукты Actel?
Рассмотрим устройства, выполненные на основе флэш-памяти. Это семейства ProASIC, ProASIC™^ ProASIC3/3E. Аббревиатура ASIC призвана подчеркнуть, что эти семейства предназначены для замены микросхем с жесткой архитектурой. Стоит отметить, что для замены ASIC при объемах производства до десятков тысяч штук чаще всего позиционируются FPGA разных производителей, однако Actel подчеркивает, что ее продукция, представляя собой законченное решение на единственном кристалле, во многих случаях может лучше подходить для решения конкретных задач. Внутренняя архитектура ПЛИС ProASIC3E представлена на рис. 2.
Как и другие FPGA, ProASIC3E состоит из массива логических ячеек, называемых в данном случае VersaTile. Этот массив окружен блоками ввода-вывода, содержащих собственную логику. На том же кристалле размещены блоки двупортовой памяти, которая может использоваться как в конфигурациях RAM, так и FIFO. На схеме можно также увидеть блок доступной пользователю флэш-памяти, устройство дешифрования конфигурационного потока (ISP AES Decryption) и устройство распределения тактового сигнала (CCC — Clock Conditioning Circuit). Это устройство содержит модуль автоподстройки фазы (PLL — Phase Locked Loop) и по функциональному назначению аналогично модулям PLL, используемым в ПЛИС Altera и модулям DLL (Delay Locked Loop) в ПЛИС Xilinx. Наличие такого устройства позволяет работать с тактовыми частотами в сотни мегагерц (350 МГц для ProASIC3E).
Основной программируемый ресурс, ячейка типа УекаТПе, представляет собой гибко конфигурируемую логическую структуру. Ее схема представлена на рис. 3, а варианты использования — на рис. 4. Из рисунков можно видеть, что ячейка УегеаТДе может реализовать весь набор цифровых узлов, ожидаемых от БРОА — комбинаторную логику и триггеры различных типов.
При этом, несмотря на то, что конфигурация LUT3 имеет всего три входа и один выход, в то время как коммерческие FPGA используют как минимум четырехвходовые LUT, к тому же наращиваемые за счет дополнительных мультиплексорных логических ячеек, принципиальных препятствий к реализации логических схем любой сложности не возникает.
Таблица 1. Характеристики ПЛИС ProASIC3
A3P030 A3P060 A3P125 A3P250 A3P400 A3P600 A3P1000
Системных вентилей 30 k 60 k 125 k 250 k 400 k 600 k 1 M
Триггеров (D-Flip-Flop) 768 1 536 3 072 6 144 9 216 13 824 24 576
ОЗУ, кбит - 18 36 36 54 108 144
4608-битных блоков - 4 8 8 12 24 32
FlashROM (FROM), бит 1 k 1 k 1 k 1 k 1 k 1 k 1 k
Secure (AES) ISP No Yes Yes Yes Yes Yes Yes
PLL - 1 1 1 1 1 1
VersaNet Globals 6 18 18 18 18 18 18
Стандартов I/O Std. & Hot Swap Std.+ Std.+ Std.+/LVDS Std.+/LVDS Std.+/LVDS Std.+/LVDS
Банков I/O (+JTAG) 2 2 2 4 4 4 4
Таблица 2. Характеристики ПЛИС ProASIC3E
A3PE600 A3PE1500 A3PE3000
Системных вентилей 600 k 1.5 M 3M
Триггеров (D-Flip-Flop) 13 824 38 400 75 264
ОЗУ, кбит 108 270 504
4608-битных блоков 24 60 112
FlashROM (FROM), бит 1 k 1 k 1 k
Secure (AES) ISP Yes Yes Yes
PLL 6 6 6
VersaNet Globals 18 18 18
Стандартов I/O Pro Pro Pro
Банков I/O (+JTAG) 8 8 8
Характеристики ПЛИС ProASIC3 и ProASIC3E представлены в таблице 1 и 2.
Анализируя представленные в таблицах сведения, можно убедиться, что FPGA Actel ProASIC3/3E в целом соответствуют современному уровню развития FPGA. Семейства выполнены по технологии 0,13 мкм с семью уровнями металлизации — шестью медными и одним алюминиевым. Диапазон логической емкости (в системных вентилях), перекрываемый обоими семействами: 30 тыс. — 3 млн. Данные характеристики находятся на уровне средних представителей семейств коммерческих ПЛИС и несколько отстают от наиболее продвинутых представителей семейств, выполненных по технологии 90 нм, предлагаемых фирмами Xilinx и Altera, однако стоит напомнить, что речь идет о другом, более надежном способе реализации программируемых соединений. При этом относительно новое техническое решение оказалось по показателям надежности существенно выше, чем проверенные временем «классические» решения при в общем-то незначительном проигрыше по общей емкости кристалла. (Будем надеяться, что и по данному показателю будет достигнут существенный прогресс.)
Набор ресурсов, предлагаемый ProASIC3/3E, в целом сопоставим с ресурсами других FPGA. Следует особо отметить реализацию на кристалле FPGA пользовательской флэш-памяти объемом 1 кбит, доступной в качестве программируемого ресурса. Это открывает дополнительные возможности для разработчика по созданию максимально интегрированного решения. Прочие возможности аналогичны широко распространенным FPGA, включая блоки PLL, улучшающие распространение тактового сигнала, программирование в системе с помощью интерфейса JTAG, защиту конфигурационного потока с AES-шифрованием, поддержку блоками ввода-вывода большого количества электрических стандартов. Для защиты конфигурации имеется механизм FlashLock, запрещающий считывание или модификацию проекта после программирования. Корпорация Actel уделяет вопросам защиты информации особое внимание, а достигнутые в этой области успехи позволяют корпорации заявлять, что она обеспечивает наилучший в отрасли уровень защиты прошитого в ПЛИС дизайна.
Еще одной особенностью ПЛИС Actel является то, что при включении питания отсутствует задержка, требующаяся FPGA для загрузки конфигурации. Несмотря на то, что эта задержка, как правило, составляет доли секунды, даже это время может оказаться в ряде случаев слишком большим. Также отсутствует и бросок тока при включении питания.
Устойчивость к внешним воздействиям
Отсутствие энергозависимой ячейки статической памяти само по себе делает устройство более устойчивым к внешним воздействиям и помехам. Действительно, несмотря на то, что в процессе загрузки конфигурационного потока FPGA может проверить контрольную сумму и обнаружить ошибку в передаваемых данных, не существует абсолютно надежного способа убедиться, что в процессе работы состояние конфигурационной памяти не изменилось.
В феврале 2004 года фирмой iROC Technologies в Центре изучения нейтронов Лос-Аламосской национальной лаборатории было проведено всестороннее исследование FPGA-микросхем на базе статической конфигурационной памяти: Virtex и Spartan-3 фирмы Xilinx, а также Cyclone фирмы Altera. Эти устройства были выбраны для сравнения с ПЛИС Axcelerator фирмы Actel на базе Antifuse-перемычек и ProASICPLUS на основе флэш-ключей. Эти испытания для микросхем пяти различных архитектур при одинаковых условиях показали на несколько порядков более высокую стойкость ПЛИС компании Actel к сбоям конфигурирования, вызванным воздействием высокоэнергичных нейтронов, генерируемых в атмосфере Земли. Причем микросхемы на основе статической памяти оказались чувствительными к нейтронной бомбардировке не только на большой высоте, но и на уровне моря, что может стать (и становится) причиной сбоя в таких системах, как автомобильные, медицинские, телекоммуникационные изделия и системы хранения данных. По данным компании Actel, среднее время наработки на отказ сети Sonet, включающей 64 системы, в каждой из которых установлено 64 микросхемы SRAM-FPGA, при работе на высоте
~1,5 км не превысит 250 часов только из-за конфигурационных сбоев. Число отказов и сбоев на 109 ч наработки (FIT) под воздействием нейтронного облучения для микросхем FPGA на основе статической памяти составило 1150 на уровне моря, 3900 на высоте 1,5 км и до 540 тыс. на высоте 18 км, тогда как в ПЛИС Actel не было обнаружено ни одного конфигурационного сбоя [4]. Для справки: FIT высоконадежного оборудования должен составлять 10-20.
Конечно, не каждое изменение конфигурационного бита приводит к отказу устройства на базе ПЛИС. Однако с учетом того, что современные FPGA имеют уже десятки миллионов цифровых ключей, риск получить неисправность в ответственном устройстве слишком велик. Интенсивность сбоев под действием радиации для FPGA большого объема такова, что, например, при 2-часовом полете самолета на высоте 10 км в ПЛИС Virtex-II объемом 6 млн вентилей почти гарантированно произойдет хотя бы один сбой, нарушающий ее нормальное функционирование.
Результаты исследования демонстрируют преимущества энергонезависимой (и особенно — однократно программируемой) памяти, проистекающие из физических основ ее функционирования. В самом деле, трудно представить условия работы, при которых может измениться проводимость разрушенного ранее проводника. Несмотря на то что ПЛИС Actel не являются единственными устройствами, предназначенными для работы при повышенной радиации (в качестве примера можно привести, например, семейство Virtex-QPro фирмы Xilinx), для других фирм подобные устройства не являются основной продукцией, поэтому своевременного и технически актуального обновления номенклатуры изделий можно ожидать в первую очередь именно от Actel.
Кроме устойчивости к повышенной радиации, практически все семейства ПЛИС Actel имеют рабочий диапазон температур -40... + 125 °С, что делает их пригодными к применению в автомобильных устройствах. В то же время подавляющее большинство широко распространенных FPGA имеют только коммерческое и индустриальное исполнение.
ПЛИС
компоненты і 89
Маршрут проектирования
Сквозной маршрут проектирования — от ввода принципиальной схемы до непосредственного конфигурирования ПЛИС обеспечивается САПР Libero, который можно загрузить прямо с сайта корпорации. Варианты использования САПР Libero определяются типом лицензии, которая может быть как бесплатной, так и платной.
Недавно корпорация Actel сделала бесплатной лицензию GOLD, позволяющую разрабатывать дизайн для ПЛИС емкостью до 300 К вент. включительно (для серии ProASIC3 — до 600 K вент.), а также производить симуляцию разрабатываемого дизайна, чего раньше бесплатная лицензия не предусматривала.
В состав САПР входят как средства ввода и моделирования (схемотехнический редактор, утилита закрепления выводов проекта, редакторы HDL-модулей), так и средства синтеза конфигурации. Допускается использование средств ввода сторонних производителей. В целом состав и функциональность программного обеспечения аналогична таким программным пакетам, как ISE и Quartus, поэтому его освоение не должно вызвать принципиальных проблем.
Для ПЛИС Actel разработаны IP-ядра — наборы модулей, реализующих стандартные цифровые блоки. Для рассмотренных семейств на базе флэш-памяти на сайте Actel предлагается более сотни готовых решений.
Среди фирм-партнеров, программное обеспечение которых может работать совместно с Libero или с отдельными средствами, входящими в его состав, такие известные производители, как Aldec, Cadence, Mentor Graphics, Synopsys, Synplicity, Magma и др. Таким образом, прогресс в области средств описания и синтеза схем, достигаемый этими фирмами, оказывает свое позитивное влияние на характеристики проектов, выполняемых на ПЛИС Actel. Программное обеспечение перечисленных фирм успешно функционирует совместно с ПЛИС от Xilinx, Altera и других производителей, что свидетельствует о том, что набор инструментальных средств, предлагаемый Actel, соответствует современным потребностям и ожиданиям разработчиков цифровых устройств, и проблем при их освоении у разработчиков не будет. Если ранее однократно программируемые, требующие для программирования специального оборудования и довольно дорогие ПЛИС Actel ассоциировались скорее с единичными проектами, выполняемыми специальными организациями с большим бюджетом разработки, то с появлением многократно программируемых, относительно недорогих ПЛИС с универсальной и гибкой архитектурой, поддержанных САПР с удобным интерфейсом и с хорошо известным разработчикам маршрутом проектирования вполне можно рассматривать применение продукции
Рис. 5. Стартовый набор на базе ПЛИС ProASIC3
Actel в приборах и устройствах не только для тяжелых условий эксплуатации.
Программирование и начало работы
Для программирования ПЛИС Actel предлагается несколько разновидностей программаторов — Silicon Sculptor II, FlashPro, FlashPro Lite, FlashPro3 и другие. В сочетании с САПР Libero они обеспечивают сквозной маршрут проектирования и конфигурирования ПЛИС. Программатор Silicon Sculptor II может программировать все типы ПЛИС Actel на столе у разработчика, в то время как недорогие программаторы серии FlashPro предназначены для внутрисхемного программирования ПЛИС, выполненных по технологии Flash.
Для начального освоения продукции имеются наборы Starter Kit, включающие в себя плату на базе ПЛИС ProASIC— или ProASIC3, соответствующий программатор серии FlashPro и САПР Libero с лицензией типа Gold.
Экономическая целесообразность и тенденции развития
Поскольку фирма Actel изначально разрабатывала свою продукцию для аэрокосмического рынка, вопросы цены на ее ПЛИС являлись для потребителей вторичными, уступая вопросам надежности и радиационной стойкости. В самом деле, цена даже самой дорогостоящей радиационно-стойкой ПЛИС вместе с программатором много меньше стоимости разработки и изготовления заказной ПЛИС аналогичной функциональности. Однако с появлением ПЛИС, выполненных по технологии Flash, фирма сделала уверенный шаг на рынок коммерческих и промышленных устройств, предложив вполне конкурентные цены на свою продукцию. Следует подчеркнуть возможность получения вторичной выгоды за счет исключения ненужных при применении ПЛИС Actel устройств, таких как загрузочное ПЗУ, мониторы питания, мощные фильтры и т. д.
Для крупносерийного производства электронных изделий представляют интерес коммерческие ПЛИС, выполненные по Antifuse-техно-
логии, благодаря своей невысокой цене, низкому энергопотреблению и надежности.
В качестве тенденций развития продукции корпорации Actel на ближайшее будущее следует выделить предстоящий выпуск на рынок серий ProASIC3/3E по очень привлекательным ценам (инженерные образцы уже распространяются). В чуть более далекой перспективе следует ожидать появление ПЛИС, выполненных по недавно анонсированной технологии Fusion, совмещающих на одном кристалле как цифровую, так и аналоговую части.
Продукция Actel на российском рынке
Если до недавнего времени продукция корпорации Actel поступала в Россию по полуофициальным каналам и продавалась без всяких гарантий, то теперь ситуация коренным образом изменилась. Уже в течение двух лет успешно функционирует официальное представительство фирмы Actel в России и на Украине, осуществляющее поставку всех типов ПЛИС, сопутствующее оборудование и программное обеспечение, а также техническую поддержку пользователей. Еще одной важной функцией представительства является оформление лицензионных документов на ПЛИС для космического и военного применения, поскольку импорт этой продукции требует разрешения со стороны государственных структур США.
Заключение
Рассматривая новые семейства и сравнивая их с аналогичными продуктами ведущих мировых производителей FPGA, читатель, знакомый с данной областью, вероятнее всего придет к выводу, что устройства Actel в основном соответствуют массовым продуктам фирм Xilinx или Altera, хотя все еще уступают по отдельным показателям (прежде всего, по максимальному объему) представителям топовых серий ПЛИС данных производителей. Однако это их свойство можно рассматривать как плату за возможность применения в тех областях, где ПЛИС на основе статической памяти просто не могут функционировать. Если проследить тенденцию развития продукции Actel, можно заметить, что, в отличие от других производителей ПЛИС, которые разрабатывали свои продукты для массового коммерческого рынка, а затем с разной степенью успешности адаптировали ее для высоконадежных рынков, корпорация Actel двигалась в противоположном направлении, сначала разработав высоконадежные технологии для аэрокосмического рынка, а затем предложив эти же технологии для массового рынка по вполне доступным ценам. При этом показатели надежности даже коммерческих ПЛИС Actel находятся на высочайшем уровне, так как они обеспечены
именно отработанной высоконадежной технологией изготовления ПЛИС.
Поэтому было бы неправильным противопоставлять продукцию Actel и, скажем, Altera (в действительности даже ПЛИС Xilinx и Altera не всегда являются прямо конкурирующими продуктами). Лучше отметить, что при столь существенных отличиях в принципах построения своих ПЛИС фирма Actel сделала практические шаги к приближению архитектуры, САПР, маршрутов проектирования и общего порядка разработки к широко распространенным и привычным для разработчиков ПЛИС. Кроме того, разработчики, имеющие опыт применения ПЛИС Xilinx или Altera, могут отладить схемотехнику и алгоритмы работы устройства в лабораторных условиях, применяя
устройства этих фирм в качестве прототипов для платформы Actel. При успехе первого этапа ив зависимости от требуемых условий работы дальнейшее развитие может пойти как в сторону ASIC, так и в сторону радиационностойких ПЛИС Actel, которые поддерживают практически тот же самый маршрут проектирования. Поддержка в САПР Libero языков описания аппаратуры (VHDL, Verilog) делает процесс переноса проекта на ПЛИС Actel максимально быстрым и практически не подверженным какому-либо риску. Разработчики, использующие в настоящее время FPGA других фирм, должны знать, что при наличии доступа к ПЛИС Actel они более не ограничены условиями эксплуатации и могут применять свои наработки в области программируемых
микросхем для создания автомобильных, аэрокосмических и других устройств для тяжелых условий эксплуатации, где продукция Actel устойчиво заняла свою нишу. ■
Литература
1. Майская В. Программируемые логические микросхемы // Электроника: наука, технология, бизнес. 2004. № 4.
2. ProASIC3 Flash Family FPGAs Datasheet. Actel Corp. 2005.
3. ProASIC3E Flash Family FPGAs Datasheet. Actel Corp. 2005.
4. Radiation Results of the SER Test of Actel, Xilinx and Altera FPGA. Test Report. iROC Technologies. 2004.
