Что такое ПЛИС?

Что такое ПЛИС?

ПЛИС (англ. Field Programmable Gate Array) — это устройство, объединяющее логические схемы, которые проектировщики могут программировать в полевых условиях.

В то время как специализированные логические ИС имеют фиксированные схемы и требуют повторного проектирования/изготовления масок при изменении части схемы, ПЛИС характеризуются своими логическими схемами, которые проектировщик может свободно изменять.

ПЛИС были разработаны компанией Xilinx в США. ПЛИС — это крупномасштабные ПЛИС, которые можно изменять бесчисленное количество раз, записывая конфигурацию схемы в SRAM.

Применение ПЛИС

ПЛИС находят применение в различных секторах, включая автомобильные устройства, датчики данных и глубокое обучение. Крупномасштабные логические схемы используются для выполнения высокоскоростных логических операций, которые не могут быть запрограммированы центральным процессором. Одним из решений является проектирование и производство специализированных БИС (например, ASIC). Однако специализированные БИС трудно поддаются изменению схем.

С другой стороны, ПЛИС позволяют разработчикам схем свободно проектировать схемы приложений и легко изменять схемы, тем самым значительно снижая стоимость разработки логических схем. Эти особенности сделали ПЛИС широко используемыми в различных областях.

1. Автомобильное оборудование

Причины внедрения ПЛИС в автомобильное оборудование включают в себя сокращение циклов разработки, гибкость для модификации и появление устройств, которые соответствуют требованиям качества. Конкретным примером является видеоанализ для систем помощи водителю.

Системы помощи водителю должны мгновенно анализировать видеосигналы в реальном времени с камер автомобиля, чтобы помогать водителю в его действиях. Для этого требуются алгоритмы с низкой задержкой и высокой точностью. ПЛИС подходят для этой цели, поскольку они требуют высокоскоростной арифметической обработки, а функции электронного управления в устройстве могут быть изменены по мере необходимости.

2. Центры обработки данных

FPGA все чаще используются в центрах обработки данных. В частности, FPGA заменяют ЦП для обработки ИИ, безопасности, аутентификации, анализа в реальном времени, глубокого обучения и других видов обработки. FPGA также используются для повышения производительности больших систем обработки данных. Они обеспечивают высокую пропускную способность и низкое время ожидания подключения к сетевым/хранительным системам для ускорения обработки данных. Они также поддерживают такие функции, как сжатие данных и обработка заполнения, среди прочих.

3. Глубокое обучение

В мире глубокого обучения гибкость ПЛИС для изменения схем чрезвычайно полезна, поскольку оптимальное моделирование постоянно развивается. ПЛИС являются идеальными устройствами для приложений, требующих частого обновления системы, таких как это приложение.

Принципы ПЛИС

ПЛИС представляют собой БИС, основанные на структуре, в которой программируемые, относительно небольшие логические блоки расположены в сетке с вертикальными и горизонтальными проводниками между ними. Хотя каждый логический блок имеет небольшой масштаб, многие блоки можно объединить для формирования крупномасштабной схемы.

Базовый логический блок состоит из LUT (таблица поиска), триггеров и дополнительных схем. Логические блоки могут быть подключены произвольно с помощью матрицы переключателей (переходного вентиля), предусмотренной в кабельном канале.

LUT использует SRAM для своей работы. Включение/выключение матрицы переключателей также контролируется данными, записанными в SRAM. Поскольку данные в SRAM теряются при выключении питания, FPGA считывает информацию о схеме (данные конфигурации) извне при включении питания.

Внутренняя структура FPGA включает в себя различные компоненты, такие как базовые логические блоки, внутренние проводники, выделенную маршрутизацию тактовой частоты, умножитель (DSP), раздел ввода-вывода, PLL и блок RAM. Они организованы в сетчатую структуру для легкой маршрутизации любой схемы.

Другая информация о FPGA

1. Инструменты проектирования

Традиционно в качестве языка проектирования для проектирования ПЛИС использовался RTL (уровень передачи регистров). На основе RTL разработчика был сгенерирован файл загрузки для записи в ПЛИС с помощью инструментов, предоставленных поставщиком ПЛИС.

Однако в последнее время поставщики ПЛИС выпустили инструменты, называемые компиляторами синтеза высокого уровня. Используя этот компилятор синтеза высокого уровня, можно эффективно проектировать, и в то же время сокращается время проверки схемы. В результате это способствует сокращению времени разработки продукта.

В настоящее время поставщики ПЛИС предлагают следующие три компилятора синтеза высокого уровня.

• Компиляторы на основе моделей (DSP).
• Компилятор HLS
• Компилятор OpenCL

Оценочные платы обычно используются для изучения схем с использованием ПЛИС. Они продаются различными компаниями, включая поставщиков полупроводников, производителей оценочных плат и компании по контрактному проектированию. Поэтому существует широкий спектр оценочных плат, и необходимо выбрать ту, которая лучше всего подходит вашему техническому уровню и целям. Следующие шесть являются типичными производителями:

• HiTech Global
• BittWare
• TUL
• IOxOS
• Portwell Japan
• ANVENT

2. Рынок

Согласно отчету Global Information, Inc. за апрель 2020 года, ожидается, что рынок ПЛИС достигнет 8,6 млрд долларов США к 2025 году, что значительно больше, чем 5,9 млрд долларов США, зафиксированных в 2020 году. Ожидается, что этот рост будет обусловлен совокупным годовым темпом роста (CAGR) в 7,6%. Хотя конкретные цифры по каждому технологическому узлу не приводятся, похоже, что в 2019 году большинство продуктов FPGA оказались ниже технологического узла 28 нм с точки зрения доли рынка.

Более того, прогноз показывает, что рынок продуктов с нормами ниже 28 нм продолжит демонстрировать высокий рост в 2025 году из-за появления маломощных продуктов и т. д. Приложения, которые будут стимулировать рынок FPGA с 2020 по 2025 год, включают высокопроизводительные компьютеры для облачных вычислений и сетей 5G. Приложения, которые будут стимулировать рынок FPGA с 2020 по 2025 год, включают высокопроизводительные вычисления для облачных вычислений и сетей 5G.