Программируемые логические интегральные схемы

Семейство FLEX (Flexible Logic Element matriX) 8000A объединяет шесть серий СБИС. СБИС этого семейства позволяют заменить устройство, занимающее десятки плат, выполненных на микросхемах средней степени интеграции и обеспечивают возможность:

- устойчивой работы на частотах до 294 МГц;

- эмуляции внутренней шины с тремя состояниями;

- работы с пониженным напряжением питания (3.3 В);

- работы в системах со смешанным напряжением питания (3.3 В, 5.0 В);

- реализации неограниченного числа циклов конфигурирования, в том числе без выключения питания СБИС;

- регулирования скорости переключения выходных буферов;

- использования трех режимов работы выходных буферов: вход, выход, двунаправленный.

Кроме того, все СБИС этого семейства совместимы со стандартом шины PCI.

Двухуровневая структура СБИС семейства FLEX8000 включает: логические блоки (ЛБ), содержащие 8 логических элементов (ЛЭ) с табличной архитектурой и имеющие локальную программируемую матрицу соединений с непрерывной структурой связей; глобальную программируемую матрицу соединений с одномерно-непрерывной структурой (непрерывной по строкам и столбцам); программируемые элементы ввода/вывода с синхронным триггером. Отличительной особенностью структуры СБИС данного семейства является то, что элементы ввода/вывода соединяются не с выводами ЛЭ, а с вертикальными и горизонтальными каналами глобальной программируемой матрицы соединений. Такое архитектурное решение обеспечивает исключительную гибкость в распределении внутренних логических ресурсов и размещении выводов СБИС. Фактически разработчик, дорабатывая уже распаянную на плате СБИС, может полностью изменить логику ее работы, сохраняя размещение выводов.

Семейство MAX 9000 объединяет четыре серии микросхем. СБИС этого семейства позволяют заменить устройство, занимающее десятки плат, выполненных на микросхемах средней степени интеграции, и обеспечивают возможность:

- устойчивой работы на частотах до 125 МГц;

- независимого использования логической части и триггера макроячейки;

- задания режима пониженного энергопотребления (power-saving mode) как для всей СБИС в целом, так и для распространения отдельных сигналов;

- программирования и репрограммирования после распайки на плате;

- работы в системах со смешанным напряжением питания (3.3 В, 5.0 В);

- регулирования скорости переключения выходных буферов;

- использования трех режимов работы выходных буферов: вход, выход, двунаправленный;

- все серии ПЛИС семейства MAX9000 совместимы со стандартом PCI.

Двухуровневая логика СБИС семейства MAX9000 включает: логические блоки, содержащие 16 макроячеек с программируемой архитектурой и имеющие локальную программируемую матрицу соединений с одномернонепрерывной структурой (непрерывной по строкам и по столбцам); программируемые элементы ввода/вывода с синхронным триггером.

Семейство FLEX (Flexible Logic Element matriX) 10K объединяет семь серий СБИС. СБИС этого семейства позволяют заменить устройство, занимающее сотни плат, выполненных на микросхемах средней степени интеграции, и обеспечивают возможность:

- устойчивой работы на частотах до 425 МГц;

- реализации на кристалле статической памяти и ПЗУ объемом до 24 Кбит;

- независимого использования логической части и триггера каждого логического элемента;

- эмуляции внутренней шины с тремя состояниями;

- умножения внутренней тактовой частоты;

- работы в системах со смешанным напряжением питания (3.3 В, 5.0 В);

- реализации неограниченного числа циклов конфигурирования;

- регулирования скорости переключения выходных буферов;

- использования четырех режимов работы выходных буферов: вход, выход, двунаправленный, открытый коллектор;

- все СБИС семейства FLEX10K совместимы со стандартом шины PCI.

Двухуровневая логика СБИС этого семейства включает: логические блоки, содержащие 8 логических элементов с табличной архитектурой и имеющие локальную программируемую матрицу соединений с непрерывной структурой связей; встроенные реконфигурируемые модули памяти, позволяющие реализовывать как статическую память и ПЗУ, так и сложные логические функции; глобальную программируемую матрицу соединений с одномерно непрерывной структурой (непрерывной по строкам и по столбцам); программируемые элементы ввода/вывода с синхронным триггером.

Основные производители современных ПЛИС-компьютеров и комплектующих к ним

Xilinx

Основанная в 1984 году американская компания Xilinx является одним из лидеров в области производства ПЛИС-микросхем. На данный момент у этой компании существует несколько серий выпускаемой аппаратуры для разного рода вычислений:

Virtex. Высокопроизводительные ПЛИС на основе FPGA, призванные заменить специализированные интегральные схемы при решениях различных ресурсоемких задач.

Spartan. Более дешевые и менее производительные ПЛИС FPGA, разработанные для использования в устройствах, рассчитанных на большие тиражи и невысокую стоимость комплектующих.

CoolRunner и XC9500. Серии ПЛИС типа CPLD, предназначенных для использования в различных портативных устройствах - мобильных телефонах, GPS-навигаторах, КПК и т.д. Для микросхем данного типа главными критериями является минимизация размеров и потребляемой мощности.

Микросхемы данных серий применяются довольно широко: последнее семейство Virtex-5 из серии Virtex используется, например, в суперкомпьютерах Cray XT5h и NEC SX-9. Также ПЛИС FPGA являются альтернативой процессоров цифровой обработки сигналов, для чего в каждом семействе присутствуют модели со встроенными блоками для этой обработки.

Для работы с представленными микросхемами компания Xilinx предоставляет различные программные средства для реализации цифровых схем, для разработки встраиваемых программируемых процессорных систем, а также для отладки и повышения производительности.

Помимо собственно разработки микросхем, компания Xilinx уделяет большое внимание цифровой обработке сигналов, разработке различных IP-ядер для использования в микросхемах, созданию встроенных процессоров и др.

Altera

Компания Altera является основным конкурентом компании Xilinx, причем по всем основным направлениям. Главное из них - это производство ПЛИС как типа FPGA, так и типа CPLD. В мае 2008 года Altera представила новое семейство из серии Stratix высокопроизводительных микросхем типа FPGA - Stratix IV, работающих на 40-нм архитектуре. Для менее ресурсоемких задач компания Altera предлагает серию ПЛИС FPGA Cyclone, а в качестве компромисса между производительными Stratix и недорогими Cyclone - серию Arria. Для мобильных устройств выпускается серия Max на основе ПЛИС типа CPLD. Также в дополнение к этим микросхемам компания выпускает серию ASIC микросхем HardCopy, разработанных в качестве специализированных аналогов соответствующих FPGA Stratix. В 2008 году микросхема Stratix III была отмечена наградой DesignVision Award в области "Полупроводники и интегральные схемы".

Начиная с серии Stratix III, в ПЛИС используется технология Programmable Power Technology, которая позволяет варьировать режим работы и, соответственно, потребляемую мощность логических ячеек в зависимости от необходимости быстрого выполнения поставленной задачи.

Микросхемы компании Altera активно применяются во многих областях, например, на рынке беспроводных и проводных коммуникаций, в военных технологиях, в области телевещания, а также в различных мобильных устройствах.

Компания Altera занимается разработкой разнообразного ПО для работы с их микросхемами, среди которых основным программным продуктом является пакет программ Quartus II, который предоставляет различные средства для проектирования и анализа структуры микросхем, а также для оптимизации затрат по потребляемой мощности.

Lattice Semiconductor

Lattice Semiconductor только в 2002 году начала производство FPGA-микросхем, и на этом рынке она занимает всего порядка нескольких процентов. Однако Lattice Semiconductor является одним из лидеров в области производства CPLD и SPLD (simple PLD - более простые по сравнению с CPLD программируемые устройства) микросхем. На этом рынке компания предоставляет целый спектр ПЛИС различной направленности:

CPLD общего назначения;

CPLD с низкой потребляемой мощностью;

CPLD с гибридной архитектурой серии MachXO - обладает некоторыми свойствами FPGA, что позволяет большей гибкости при программировании;

CPLD серии ispXPLD 5000V/B/C, которая состоит из блоков Multi-Function Block (MFB), каждый из которых может быть запрограммирован отдельно:

как вычислительный блок;

как блок памяти RAM или CAM;

как блок, реализующий буфер типа FIFO.

SPLD-микросхемы, используемые для проведения простых операций или в качестве связующих логических схем на плате.

Хотя компания Lattice Semiconductor появилась на рынке ПЛИС FPGA относительно недавно, она выпускает довольно большой ассортимент микросхем данного типа. Среди них стоит выделить микросхемы Field Programmable System Chip (FPSC) - первой серии ПЛИС со встроенными ASIC ядрами, которые предназначены для реализации стандартных IP ядер - шинного интерфейса, высокоскоростного интерфейса или высокоскоростного трансивера; а также серию Lattice XP2 и предназначенный для его программирования прикладной пакет ispLEVER, которым в 2008 году была присуждена премия DesignVision Award в области "Средства программирования микросхем типа ASIC, FPGA и PLD".

Actel

Компания Actel делает ставку на производство небольших и недорогих микросхем типа FPGA, ориентируясь на надежность таких ПЛИС. В целом выпускаемые компанией Actel микросхемы можно разбить на два типа:

с использованием flash-памяти;

с однократно программируемой памятью (antifuse технология).

Оба типа микросхем обеспечивают высокий уровень защищенности информации как от несанкционированного доступа, так и от альфа- и нейтронного излучения. Также большим преимуществом таких микросхем является тот факт, что они являются не изменяющимися - не требуют загрузки конфигурации архитектуры ПЛИС каждый раз при включении питания. Это означает, что они готовы к работе сразу же после запуска оборудования.

Поскольку компания Actel занимается производством компактных и недорогих ПЛИС (в феврале этого года Actel стала выпускать микросхемы серии ProASIC3 по рекордно низкой цене в 99 центов), основными ее покупателями являются компании, занимающиеся различными портативными устройствами и автомобильной промышленностью. Также благодаря описанным свойствам высокой надежности и моментальной готовности к работе микросхемы компании Actel используются в военной и аэрокосмической областях.

Также стоит отметить разработанную компанией Actel технологию Fusion, которая позволяет объединить логические блоки FPGA, flash-память и аналоговые устройства на одной микросхеме.

Atmel

Компания Atmel занимается многими отраслями рынка полупроводников: производством микроконтроллеров, устройств Flash-памяти, ASIC-устройств, а также ПЛИС. Направление программируемых микросхем, производством которых она занялась в 1999 году, не является приоритетным, и набор предоставляемой продукции не очень велик. На рынке ПЛИС типа FPGA основной является серия AT40KAL - небольшие микросхемы с числом ячеек порядка нескольких тысяч, используемых в основном для цифровой обработки сигналов. На базе этих микросхем построено семейство чипов Field Programmable System Level Integrated Circuits (FPSLIC), объединяющих на одном кристалле микропроцессорное ядро, оперативную память и программируемую логику. Также Atmel занимается производством SPLD- и CPLD-микросхем, последние из которых характерны тем, что являются совместимыми с аналогичными устройствами основных производителей ПЛИС аппаратуры, таких как Altera и Xilinx.

Помимо производства собственно микросхем, компания Amtel занимается производством оперативной EEPROM памяти (в том числе Flash-памяти), предназначенной для использования в собственных микросхемах серии FPSLIC и FPGA-устройствах основных производителей.

Также Amtel предоставляет услугу Ultimate Logic Conversion (ULC), в рамках которой разработанный для ПЛИС проект переносится на создаваемые этой компанией более дешевые ULC-кристаллы. Процесс конвертирования компания практически полностью берет на себя. В течение 20 лет предоставления этой услуги было преобразовано около 2000 проектов.

Nallatech

Шотландская компания Nallatech является одним из лидеров в области создания готовых вычислительных решений на основе ПЛИС. Она занимается разработкой системных плат и вычислительных модулей для персональных компьютеров, используя в качестве базы микросхемы компании Xilinx. Данные готовые решения применяются в оборонной промышленности для увеличения производительности.

Существует 4 различные серии плат в соответствии с поддерживаемым ими интерфейсом: PCI, cPCI, PIC-104 или VME. Большинство из них работают на ПЛИС Virtex II Pro или Virtex 4, однако в конце 2007 года вышла PCI-X плата со встроенной микросхемой Virtex-5. Все платы поддерживают некоторое количество подключаемых модулей. Эти модули могут отличаться встроенными ПЛИС (Virtex II Pro либо Virtex 4; также бывают модули с двумя встроенными микросхемами), объемом и типом оперативной памяти, а также наличием аналогового или цифрового ввода/вывода. Данные модули подключаются к платам с помощью созданного этой компанией интерфейса Dime.