FPGA

Una matriz de puertas programables en campo (FPGA) es un chip que contiene miles de bloques lógicos e interconexiones no configurados que se conectan después de la fabricación cargando un bitstream en su memoria. A diferencia de los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC), que están cableados en la fundición, una FPGA permite definir qué bloques se comunican con cuáles sin tocar el hardware. Esto es enormemente importante cuando se necesita implementar lógica que cambiará, depurará o se adaptará a nuevas especificaciones sin solicitar una nueva tirada de silicio personalizado.

Los bloques lógicos suelen ser tablas de consulta (LUT), generalmente de 4 o 6 entradas, combinadas con flip-flops y multiplexores. Estos se disponen en un patrón de cuadrícula, rodeados por canales de enrutamiento programables. Todo se configura utilizando lenguajes de descripción de hardware como VHDL o Verilog. Las herramientas de síntesis compilan el código en un bitstream, un archivo binario que establece cada interruptor en la matriz. El bitstream se carga en celdas de RAM estática, o a veces en memoria flash, que controlan el enrutamiento y la función de cada bloque.

Dónde encajan las FPGA en la producción y el prototipado

En entornos industriales, las FPGA aparecen en control de movimiento, procesamiento de señales en tiempo real y protocolos de E/S personalizados donde la latencia o el ancho de banda son demasiado críticos para el software en una CPU. Una FPGA industrial típica podría tener unos pocos miles de LUT y funcionar a 100 a 400 megahercios. Dispositivos más grandes de la misma familia escalan a cientos de miles de LUT. Se sacrifica el costo por unidad (los chips FPGA cuestan más que los ASIC equivalentes en volumen) por la flexibilidad y un rápido tiempo de comercialización. La reconfiguración ocurre al encenderse o, en dispositivos avanzados, en tiempo de ejecución mientras el resto del sistema funciona.

Los principales modos de fallo son la corrupción de la memoria de configuración por radiación o fallos de energía, las violaciones de temporización lógica que surgen cuando los diseños reconfigurados exceden los retrasos de propagación, y el embalamiento térmico si no se gestiona la disipación de energía durante la reconfiguración. Los diseños industriales a menudo incluyen circuitos de vigilancia y recargas periódicas de bitstream para detectar errores de bits en la memoria. Proveedores como Xilinx e Intel Altera dominan el mercado; actores más pequeños atienden aplicaciones de nicho.

El término 'programable en campo' enfatiza que se configura la pieza en su lugar, después de que ha salido de fábrica y ha entrado en el campo, en lugar de antes del envío. Esto contrasta con las matrices de puertas programables por máscara, que requerían intervención de fábrica para establecer máscaras metálicas, y con la lógica basada en ROM o EPROM, que son más lentas y menos flexibles. La FPGA inventada en 1985 eliminó esa restricción y se convirtió en la plataforma de silicio flexible estándar para lógica personalizada que no justifica una tirada de ASIC.