چکیده
آرایه گیت قابل برنامه نویسی میدانی (FPGA)، یک پلت فرم مداری کارآمد و قابل پیکربندی مجدد است و در دهه گذشته، به یک دستگاه ریزتراشه پردازش سیگنال هسته ای برای سیستم های دیجیتال تبدیل شده است. با توسعه سریع تکنولوژی نیمه هادی، یکپارچه سازی سازی عملکرد و سیستم ادوات FPGA به طور قابل توجهی پیشرفت نموده است، و در عین حال چالش های جدیدی بوجود آمده است. طراحی معماری FPGA به منظور تکامل و برآورده سازی این چالش ها مورد نیاز است و در عین حال باید از چگالی فزاینده ریزتراشه بیش از هر زمان دیگری استفاده نمود. این مطالعه به بررسی توسعه های اخیر معماری FPGA پیشرفته، از جمله بهبود فن آوری های برنامه نویسی، بلوک های منطقی، اتصالات، و منابع تعبیه شده می پردازد. علاوه بر این، برخی از مسائل مهم طراحی در حال ظهور از معماری FPGA، مانند FPGA های مبتنی بر حافظه جدید و FPGA سه بعدی نیز به منظور ارائه چشم اندازی برای توسعه آینده FPGA ارائه می شود.
1. مقدمه
آرایه های گیت قابل برنامه نویسی میدانی (FPGA ها)، ادوات سیلیکونی پیش ساخته هستند که می توانند به لحاظ الکتریکی برای اجرای تقریبا هر نوع مدار و یا سیستم دیجیتال برنامه نویسی شوند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، ساختار اساسی FPGA شامل یک دریا بلوک های منطقی (LBS)، یک شبکه اتصال داخلی، و بلوک های I / O قابل پیکربندی می شود. به علت یکپارچگی در سطح بسیار بالا، ادوات FPGA اخیر نیز شامل بلوک های حافظه، بلوک های DSP سیم بندی شده، بلوک های مدیریت ساعت، و بلوک های فرستنده-گیرنده داده ها با سرعت بالا می شوند که تماماً به صورت یکپارچه سازی [1-3] تعبیه شده اند.بلوک های منطقی منابع اصلی پردازش دیجیتال هستند و بسته به عملکرد مورد نیاز برای پیاده سازی، هر یک از آنها برای انجام ترکیبی و عملیات پی در پی پیکربندی می شوند.
برای عملیات های ترکیبی، مجموعه ای از جداول مراجعه (LUTS) به عنوان تولیدکننده های تابع منطقی مستقل به کار گرفته می شوند و برای عملیات های پی در پی، مجموعه ای از D-فلیپ فلاپ ها گنجانده می شوند. علاوه بر این، برخی از اشکال تکامل یافته LB برای حمایت از توابع اضافی، مانند ذخیره سازی محلی (حافظه RAM توزیع)، شیفت رجیستر (SR)، عملیات مالتی پلکسر ، و عملیات های جمع کننده / کم کننده بهینه سازی می شوند. شبکه اتصال توسط کاربر به منظور پیوند بسیاری از LBها در صورت لزوم قابل برنامه نویسی می باشد [4-7].
2. فن آوری های برنامه نویسی
یک FPGA، با استفاده از سوئیچ های قابل برنامه نویسی الکتریکی برنامه نویسی می شود. خصوصیات این سوئیچ های قابل برنامه نویسی، از قبیل اندازه، بر روی مقاومت و خازن، تاثیر قابل توجهی بر روی معماری های منطقی برنامه نویسی دارند. روش های مورد استفاده گسترده در FPGA های مدرن شامل حافظه استاتیک با دسترسی تصادفی (SRAM)، حافظه های فلش، و ضد فیوز می شوند. از این روش ها، FPGA های مبتنی بر SRAM ها بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند و عمدتا به دلیل مقیاس پذیری آن با تکنولوژی فرآیند ، موقعیت غالب را در بازار MOS دارند. در این بخش، تمام این روش های فن آوری های برنامه نویسی را مرور خواهیم کرد، و مزایا و معایب آنها را نسبت به درک کامل از فن آوری های برنامه نویسی مقایسه می نماییم.
. معماری بلوک منطقی
FPGAها از بلوک های منطقی برای پیاده سازی توابع منطقی، مسیریابی قابل برنامه نویسی برای اتصال این توابع و بلوک های I / O برای اتصالات خارج از تراشه تشکیل شده اند. معماری بلوک منطقی بسیار مهم است، زیرا با توجه به طراحی FPGA ها برای عملکرد بهینه و تراکم منطقی، در قلب این کار نهفته است [21-23]. در این بخش، ما مسائل اساسی و سبک سنگین کردن در طراحی معماری بلوک منطقی را با بازدید از تکامل معماری های FPGA تجاری مورد بحث قرار می دهیم.
. معماری مسیریابی
معماری FPGA شامل عناصر قابل برنامه نویسی منطقی و سبک مسیریابی قابل برنامه نویسی. مسیریابی برنامه نویسی ارتباط میان بلوک های منطقی و بلوک های I / O را برای تکمیل مدار طراحی شده کاربر فراهم می کند. این مسیریابی از سیم ها و سوئیچ های قابل برنامه نویسی به صورت اتصالات مورد نظر تشکیل شده است. به جای طیف گسترده ای از مدارات، ساختار اتصال باید به اندازه کافی برای حمایت از خواسته مسیریابی محلی به طور گسترده متفاوت و خواسته های مسیریابی از راه دور همراه با اهداف طراحی عملکرد سرعت و مصرف برق انعطاف پذیر باشد. در معماری های تجاری، مسیریابی بیشترین مساحت تراشه را مصرف می کند و مسئول بسیاری از تاخیرات مداری است. همانطور که FPGA ها در حال حرکت به فن آوری های پیشرفته تر هستند، سبک مسیریابی مهم تر شده است. بنابراین، علاقه زیادی به توسعه معماری کارآمد مسیریابی FPGA وجود دارد. در این بخش، بحث ما به طور انحصاری روی هدف کلی مسیریابی FPGA تمرکز خواهد کرد.
. مسیریابی کلی
موضوع اساسی در طراحی FPGA، سازماندهی معماری یونیورسال است، که تخصیص ماکروسکوپی سیم هاست. بر اساس ترتیب منابع منطقی و اتصال، معماری مسیریابی FPGA ها به طور گسترده به سه نوع اصلی زیر دسته بندی می شود: معماری مسیریابی به سبک جزیره ، معماری مسیریابی به سبک کانال و معماری مسیریابی سلسله مراتبی. امروزه، سبک جزیره، جریان اصلی معماری مسیریابی مورد استفاده در FPGA های تجاری است. سبک کانال و معماری مسیریابی سلسله مراتبی را می توان در برخی از ادوات FPGA اولیه، مانند Microsemi ACT، SX، و خانواده MX FPGA ها برای سبک کانال [47]، و Altera Flex10K، Apex و آپکس II FPGA ها برای معماری مسیریابی سلسله مراتبی [ 48-50] یافت. برای بقیه این بخش، ما در مسائل طراحی معماری مسیریابی به سبک جزیره تمرکز می کنیم.
. منابع جاسازی شده
با افزایش میزان و بهبود عملکرد ماژول های تابعی، مانند DSP، حافظه، مدیر ساعت، فرستنده و گیرنده با سرعت بالا، و غیره، FPGA به یک دستگاه سیستم-فعال ضروری تبدیل شده است. گنجاندن این منابع جاسازی شده دارای تاثیر زیادی بر عملکرد FPGA های مدرن است. علاوه بر این، فروشندگان تجاری اصلی به جای یک محصول واحد FPGA، تمایل به ارائه یک سری از سیستم عامل های FPGA ، با ترکیبی متغیر از ویژگی های بهینه سازی شده برای حوزه های کاربردهای مختلف دارند [74]. چگونگی دستیابی به یک مونتاژ سریع و مقرون به صرفه از سیستم عامل های FPGA با ماژول های مختلف عملکردی، به یک مسئله طراحی FPGA تبدیل شده است. در این بخش ما این مشکل را مورد بحث قرار خواهیم داد و نمایش گسترده را از ویژگی های طراحی Altera و Xilinx ارائه می دهیم.
. روندهای آینده از FPGA
در زمینه توسعه FPGA، نگرانی های مداوم در مورد مساحت، سرعت و قدرت باید در مسائل طراحی FPGA ها در نظر گرفته شوند. علاوه بر این، برخی از فن آوری های دیگر در حال ظهور وجود دارند که ممکن است بر روند آینده FPGA تاثیر داشته باشند، مانند FPGA های جدید مبتنی بر حافظه و 3D FPGA ها. در این بخش به معرفی مختصر آنها ارائه می پردازیم.
. 3D FPGA
3D FPGA، که نشان دهنده روند مهم FPGA در حال توسعه دیگری است، بر اساس فن آوری های مداری سه بعدی است. زمانی که پیچیدگی تراشه FPGA افزایش یابد، مشکلاتی مانند تاخیر اتصال، سنکرون سازی ساعت و افت IR در شبکه برق شدید تر از همیشه شده است. فن آوری 3D بر اساس Through Silicon Vias (TSVs) به عنوان امیدوار کننده ترین نامزد برای حل چنین مشکلاتی در نظر گرفته می شود.
M.Lin از دانشگاه استنفورد یک ساختار بهینه از 3D FPGA بر اساس تراشه های پشته شده و Through Silicone Vias (TSVs) به صورت کانال های اتصال داخلی پیشنهاد کرده است. شکل. 29 ساختار معمولی 3D FPGA را نشان می دهد که FPGA سنتی دوبعدی را به سه لایه گسترش می دهد: حافظه در بالا، سوئیچ در وسط و منطق در لایه بستر. مزیت این ساختار، مجتمع سازی آسان برای منطق و SRAM IP است. در مقایسه با Virtex-II، این 3D FPGA پشته شده دارای 3.2 برابر مجتمع سازی تراکم منطقی با 31٪ مساحت کاهش یافته است
1. فن آوری های حافظه جدید
در طول دهه گذشته، صنعت نیمه هادی یک تجدید حیات در علاقه برای جستجو در فن آوری های حافظه بسیار مقیاس پذیر را تجربه کرده است. با پیشرفت فن آوری های جدید حافظه غیر فرار به سرعت در حال رشد، علاقه رو به رشدی در بررسی استفاده از آنها در FPGA ها در آینده به وجود آمده است.
. بحث کوتاهی در مورد توسعه حال حاضر تحقیقات FPGA در چین
به طور کلی، تحقیق و توسعه FPGA در چین در فاز آغازین قرار دارد [96-102]. با توجه به طراحی معماری، برخی تلاش ها شایسته و در خور ذکر است. به عنوان مثال، دانشگاه Fudan یک سیستم ارزیابی برای معماری FPGA را بر اساس ابزار VPR، به منظور برآورد اطلاعات قدرت، مساحت و زمان بندی توسعه داده است [103]. یک روش تاخیر-تخمینی بر اساس مدل آماری نیز پیشنهاد شده است که به بهینه سازی معماری اتصال FPGA کمک می کند [104]. به منظور بهبود انعطاف پذیری منابع مسیریابی، یک جعبه سوئیچ جدید، به نام جعبه سوییچ Minimum-Loop Maximization (MLM) با حداثر نمودن اندازه حلقه مینیمم در گراف منبع-مسیریابی توسعه داده شد.
. نتیجه گیری
هدف از این مقاله، ارائه بینشی جامع به طراحی معماری پیشرفته FPGAاست. فن آوری FPGA تا حد زیادی توسط توسعه سریع تکنولوژی نیمه هادی پیشرفت داده شده است، در حالی که در همان زمان با توجه به اثرات نامطلوب ناشی از فرآیند زیر میکرون و نانو متر عمیق، طراحان باچالش های جدید روبرو هستند. همگام با خواسته های بازار امروز، ادوات FPGA به سمت سطح بالایی از عملکرد، یکپارچه سازی سازی سیستم و پهنای باند توسعه یافته است. علاوه بر این، با افزایش میزان و بهبود عملکرد ماژول های تابعی، FPGA به یک سیستم فعال دستگاه ضروری تبدیل شده است و ریزپردازنده ها در ادوات FPGA برای ارائه یک پایه پلت فرم جامع برای سیستم های نسل بعدی ادغام شد اند. برای چشم اندازهای آینده، کاملا امیدوار کننده است که طراحی FPGA ها فن آوری هیجان انگیز و پویا باقی خواهد ماند ، و فن آوری های در حال ظهور می توانند به صورت ترکیبی با هم فرصت های فوق العاده ای را به منظور توسعه آینده سیستم عامل FPGA بر روی تراشه ارائه دهند.
این مقاله در سال 2014 در نشریه اسپرینگر و در مجله الکترونیک (چین)، توسط موسسه الکترونیک منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله معماری ها و فناوری های پیشرفته FPGA در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
