Научная статья на тему 'Тенденция развития программируемых логических интегральных схем'

Тенденция развития программируемых логических интегральных схем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
1301
438
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.