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Feldprogrammierbares Gate-Array

AFeldprogrammierbares Gate-Array(FPGA) ist einIntegrierter SchaltkreisEntwickelt, um nach der Herstellung von einem Kunden oder Designer konfiguriert zu werden – daher der BegriffFeldprogrammierbar.Die FPGA-Konfiguration wird im Allgemeinen mit a angegebenHardware-Beschreibungssprache(HDL), ähnlich dem, das für an verwendet wirdanwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis(ASIC).Schaltplänewurden früher zur Angabe der Konfiguration verwendet, was aber aufgrund der Einführung von immer seltener vorkommtAutomatisierung des elektronischen DesignsWerkzeuge.

FPGAs enthalten ein Array vonprogrammierbar Logikblöckeund eine Hierarchie rekonfigurierbarer Verbindungen, die es ermöglichen, Blöcke miteinander zu verbinden.Logikblöcke können für komplexe Aufgaben konfiguriert werdenkombinatorische Funktionen, oder so einfach handelnLogikgatterwieUNDUndXOR.In den meisten FPGAs sind auch Logikblöcke enthaltenSpeicherelemente, was einfach sein kannFlip-Flopsoder vollständigere Speicherblöcke.^[1]Viele FPGAs können umprogrammiert werden, um andere zu implementierenLogikfunktionen, was Flexibilität ermöglichtrekonfigurierbares Rechnenwie durchgeführt inComputer Software.

FPGAs spielen dabei eine bemerkenswerte RolleEingebettetes SystemEntwicklung aufgrund ihrer Fähigkeit, die Systemsoftwareentwicklung gleichzeitig mit der Hardware zu starten, Systemleistungssimulationen in einer sehr frühen Phase der Entwicklung zu ermöglichen und verschiedene Systemversuche und Entwurfsiterationen vor der Fertigstellung der Systemarchitektur zu ermöglichen.^[2]

Geschichte[bearbeiten]

Die FPGA-Industrie entstand darausprogrammierbarer Nur-Lese-Speicher(PROM) undprogrammierbare Logikgeräte(PLDs).Sowohl PROMs als auch PLDs hatten die Möglichkeit, in Chargen in einer Fabrik oder vor Ort programmiert zu werden (feldprogrammierbar).^[3]

Alterawurde 1983 gegründet und lieferte 1984 das erste umprogrammierbare Logikgerät der Branche aus – den EP300 –, dessen Gehäuse über ein Quarzfenster verfügte, das es Benutzern ermöglichte, eine UV-Lampe auf den Chip zu richten, um das zu löschenEPROMZellen, die die Gerätekonfiguration enthielten.^[4]

Xilinxproduzierte das erste kommerziell nutzbare feldprogrammierbare GerätGate-Arrayim Jahr 1985^[3]– der XC2064.^[5]Der XC2064 verfügte über programmierbare Gatter und programmierbare Verbindungen zwischen den Gattern, den Beginn einer neuen Technologie und eines neuen Marktes.^[6]Der XC2064 hatte 64 konfigurierbare Logikblöcke (CLBs) mit zwei Drei-EingängenNachschlagetabellen(LUTs).^[7]

Im Jahr 1987 wurde dieNaval Surface Warfare Centerfinanzierte ein von Steve Casselman vorgeschlagenes Experiment zur Entwicklung eines Computers, der 600.000 umprogrammierbare Gatter implementieren würde.Casselman war erfolgreich und 1992 wurde ein Patent für das System erteilt.^[3]

Altera und Xilinx blieben unangefochten bestehen und wuchsen von 1985 bis Mitte der 1990er Jahre schnell, als Konkurrenten aufkamen und einen erheblichen Teil ihres Marktanteils verloren.Bis 1993 war Actel (heuteMikrosemi) bediente rund 18 Prozent des Marktes.^[6]

Die 1990er Jahre waren eine Zeit des schnellen Wachstums für FPGAs, sowohl in Bezug auf die Komplexität der Schaltungen als auch im Hinblick auf das Produktionsvolumen.In den frühen 1990er Jahren wurden FPGAs hauptsächlich in verwendetTelekommunikationUndVernetzung.Bis zum Ende des Jahrzehnts fanden FPGAs ihren Weg in Verbraucher-, Automobil- und Industrieanwendungen.^[8]

Im Jahr 2013 repräsentierten Altera (31 Prozent), Actel (10 Prozent) und Xilinx (36 Prozent) zusammen etwa 77 Prozent des FPGA-Marktes.^[9]

Unternehmen wie Microsoft haben damit begonnen, FPGAs zu verwenden, um hochleistungsfähige, rechenintensive Systeme (wie dasDaten Centerdie ihre betreibenBing-Suchmaschine), aufgrund derLeistung pro WattVorteile, die FPGAs bieten.^[10]Microsoft begann, FPGAs zu verwendenbeschleunigenBing begann 2014 und 2018 mit der Bereitstellung von FPGAs für andere Rechenzentrums-WorkloadsAzurblau Cloud ComputingPlattform.^[11]

Die folgenden Zeitleisten zeigen Fortschritte in verschiedenen Aspekten des FPGA-Designs:

Tore

• 1987: 9.000 Tore, Xilinx^[6]
• 1992: 600.000, Marine-Oberflächenkriegsabteilung^[3]
• Anfang der 2000er Jahre: Millionen^[8]
• 2013: 50 Millionen, Xilinx^[12]

Marktgröße

• 1985: Erstes kommerzielles FPGA: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 Millionen US-Dollar^[6]
• C.1993: >385 Millionen US-Dollar^{[6][Verifizierung fehlgeschlagen]}
• 2005: 1,9 Milliarden US-Dollar^[13]
• Schätzungen für 2010: 2,75 Milliarden US-Dollar^[13]
• 2013: 5,4 Milliarden US-Dollar^[14]
• Schätzung für 2020: 9,8 Milliarden US-Dollar^[14]

Design beginnt

ADesignbeginnist ein neues kundenspezifisches Design für die Implementierung auf einem FPGA.

• 2005: 80.000^[15]
• 2008: 90.000^[16]

Design[bearbeiten]

Moderne FPGAs verfügen über große RessourcenLogikgatterund RAM-Blöcke zur Implementierung komplexer digitaler Berechnungen.Da FPGA-Designs sehr schnelle I/O-Raten und bidirektionale Daten verwendenBussewird es zu einer Herausforderung, das korrekte Timing gültiger Daten innerhalb der Setup- und Haltezeit zu überprüfen.

Bodenplanungermöglicht die Ressourcenzuweisung innerhalb von FPGAs, um diese Zeitbeschränkungen zu erfüllen.Mit FPGAs können beliebige logische Funktionen implementiert werdenASICkann aufführen.Die Möglichkeit, die Funktionalität nach dem Versand zu aktualisieren,Teilweise Neukonfigurationeines Teils des Designs^[17]und die geringen einmaligen Engineeringkosten im Vergleich zu einem ASIC-Design (trotz der allgemein höheren Stückkosten) bieten Vorteile für viele Anwendungen.^[1]

Einige FPGAs verfügen neben digitalen Funktionen auch über analoge Funktionen.Die gebräuchlichste analoge Funktion ist programmierbarAnstiegsgeschwindigkeitan jedem Ausgangspin, was es dem Ingenieur ermöglicht, niedrige Raten an leicht belasteten Pins einzustellen, was sonst der Fall wäreRingoderPaarinakzeptabel ist und höhere Raten an stark belasteten Pins auf Hochgeschwindigkeitskanälen eingestellt werden, die andernfalls zu langsam laufen würden.^[18][19]Häufig sind auch Quarz-Quarzoszillatoren, On-Chip-Widerstands-Kapazitäts-Oszillatoren undPhasenregelkreisemit eingebettetspannungsgesteuerte OszillatorenWird für die Takterzeugung und -verwaltung sowie für Hochgeschwindigkeits-Serialisierer-Deserialisierer (SERDES)-Sendetakte und die Wiederherstellung des Empfängertakts verwendet.Ziemlich häufig sind DifferenzialerkrankungenKomparatorenauf Eingangspins, die zum Anschließen vorgesehen sindDifferenzsignalisierungKanäle.Ein paar "gemischtes Signal„FPGAs“ verfügen über integrierte PeripheriegeräteAnalog-Digital-Wandler(ADCs) undDigital-Analog-Wandler(DACs) mit analogen Signalkonditionierungsblöcken, die ihnen den Betrieb als ermöglichenSystem-on-a-Chip(SoC).^[20]Solche Geräte verwischen die Grenze zwischen einem FPGA, das auf seiner internen programmierbaren Verbindungsstruktur digitale Einsen und Nullen trägt, undFeldprogrammierbares analoges Array(FPAA), das analoge Werte auf seiner internen programmierbaren Verbindungsstruktur überträgt.