FPGA
Englisch: field-programmable gate array
Ein Gate Array, das nach der Herstellung vom Kunden oder Konstrukteur vor Ort konfiguriert werden kann.
FPGA: Siliziumlogik, die Sie ohne Austausch umprogrammieren
Ein feldprogrammierbares Gatterfeld ist ein Chip mit Tausenden unkonfigurierter Logikblöcke und Verbindungsleitungen, die Sie nach der Fertigung durch Laden eines Bitstroms in seinen Speicher miteinander verbinden. Anders als anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs), die in der Foundry fest verdrahtet sind, lässt ein FPGA Sie definieren, welche Blöcke miteinander kommunizieren, ohne die Hardware anzufassen. Das ist entscheidend wichtig, wenn Sie Logik einsetzen müssen, die sich ändert, debuggt werden muss oder sich neuen Vorgaben anpassen soll, ohne eine neue Serie von kundenspezifischem Silizium in Auftrag zu geben.
Die Logikblöcke selbst sind normalerweise Look-up-Tabellen (LUTs), üblicherweise 4-Eingang oder 6-Eingang, kombiniert mit Flipflops und Multiplexern. Diese sitzen in einem Rastermuster, umgeben von programmierbaren Routingkanälen. Sie konfigurieren alles mit Hardware-Beschreibungssprachen wie VHDL oder Verilog. Synthesewerkzeuge übersetzen Ihren Code in einen Bitstrom, eine Binärdatei, die jeden Schalter im Gatterfeld setzt. Der Bitstrom lädt in SRAM-Zellen oder manchmal Flash-Speicher, die das Routing und die Funktion jedes Blocks steuern.
Wo FPGAs in Produktion und Prototyping passen
In industriellen Anwendungen erscheinen FPGAs in Bewegungssteuerung, EchtzeitSignalverarbeitung und benutzerdefinierten E/A-Protokollen, bei denen Latenz oder Durchsatz für Software auf einer CPU zu kritisch sind. Ein typisches industrielles FPGA hat vielleicht ein paar tausend LUTs und läuft mit 100 bis 400 Megahertz. Größere Bausteine derselben Familie skalieren bis zu Hunderttausenden LUTs. Sie tauschen niedrigere Stückkosten (FPGA-Chips kosten bei größeren Stückzahlen mehr als äquivalente ASICs) gegen Flexibilität und schnelle Markteinführung ein. Rekonfiguration erfolgt entweder beim Hochfahren oder bei modernen Geräten zur Laufzeit, während der Rest des Systems läuft.
Die wichtigsten Ausfallmechanismen sind Konfigurationsspeicherbeschädigungen durch Strahlung oder Stromausfälle, Logikzeitverletzungen, die auftreten, wenn neu konfigurierte Designs Verzögerungszeiten überschreiten, und thermisches Durchgehen, wenn die Leistungsaufnahme während der Rekonfiguration nicht kontrolliert wird. Industrielle Designs enthalten oft Watchdog-Schaltkreise und periodische Bitstrom-Neuladen, um Speicherbitfehler zu erfassen. Hersteller wie Xilinx und Intel Altera dominieren den Markt; kleinere Anbieter bedienen Nischenbereiche.
Der Begriff 'feldprogrammierbar' unterstreicht, dass Sie den Baustein vor Ort nach dem Verlassen der Fabrik in das Feld konfigurieren, nicht vorher bei der Auslieferung. Das unterscheidet sich von maskenprogrammierbaren Gatterfeldern, die eine Werkstattintervention zum Setzen von Metallmasken erforderten, und von ROM- oder EPROM-basierter Logik, die langsamer und weniger flexibel ist. Das 1985 erfundene FPGA beseitigte diese Beschränkung und wurde zur Standard-Flexplattform für kundenspezifische Logik, die einen ASIC-Lauf nicht rechtfertigt.