Программируемые логические интегральные схемы

Для того чтобы облегчить использование предоставляемых решений, компания Nallatech предоставляет среду проектирования DimeTalk, а также пакет FUSE - набор API для языков С/С++ и пакета MatLab.

Помимо оборудования для настольных ПК Nallatech также предоставляет вычислительные решения для HPC производительностью до 50 GFlop/s, представленные в формате IBM BladeCenter или в качестве PCI-X платы. В частности, платы Nallatech H101 используются в суперкомпьютере Maxwell.

Mitrionics

Эта компания из Швеции занимается довольно узким направлением - созданием программного обеспечения для упрощения использования ПЛИС в HPC-технологиях. Основная разработка Mitrionics - выпущенный в 2005 году продукт Mitrion Platform, который состоит из Mitrion Virtual Processor (MVP) и Mitrion SDK.

MVP - это построенный на программном ядре настраиваемый процессор с массовым параллелизмом. По своей сути, MVP является абстракцией, прослойкой между пользовательской программой и аппаратурой. Сначала программа преобразуется в конфигурацию для MVP, после чего сконфигурированный нужным образом процессор запускается на ПЛИС и реализует подходящую архитектуру этой микросхемы. Параллелизм в процессоре достигается за счет выделения необходимого числа вычислительных элементов ПЛИС под каждую команду. Применение MVP позволяет пользователю, не касаясь вопросов архитектуры ПЛИС, программировать под нее свою задачу.

Преобразованием пользовательской программы в конфигурацию для MVP занимается Mitrion SDK. В состав этого пакета входят компилятор, отладчик, а также симулятор для тестирования приложений при отсутствии доступа к ПЛИС-аппаратуре. Программа должна быть написана на Mitrion-C - языке программирования с неявным параллелизмом, по синтаксису сильно напоминающем С.

Поскольку MVP берет целиком на себя задачу проектирования ПЛИС-устройств, которые отличаются довольно сильно от производителя к производителю, он не может быть универсальным. Обеспечивается поддержка следующих платформ:

Cray XD1;

Nallatech BenDATA-DD and H100 series;

Scan Engineering Telecom SAMC-707;

SGI RASC RC100.

Продукция компании Mitrionics применяется для решения различных ресурсоемких задач, требующих HPC-вычислений, таких как изучение последовательностей генов, распознавание образов, а также в биоинформатике.

Alpha Data

Данная компания занимается производством оборудования на основе ПЛИС-микросхем. Среди выпускаемой продукции можно выделить две группы:

      Платы на основе ПЛИС микросхем Virtex компании Xilinx;

      Дополнительные модули к этим платам:

      Модули для ввода/вывода;

      PMC (PCI Mezzanine Card) адаптеры;

      Устройства для работы с аналоговыми сигналами.

Выпускаемые компанией Alpha Data платы применяются в военной и космической промышленностях, в телекоммуникациях, а также в цифровой обработке сигналов. Для облегчения работы с ними компания предлагает программные пакеты, встраиваемые в программы Matlab и Simulink.

ПЛИС-платы компании Alpha Data используются в суперкомпьютере Maxwell, а также в таких компаниях, как Boeing, Nokia и Motorola.

QuickLogic

Организованная в 1988 году компания QuickLogic полностью ориентирована на рынок портативных устройств. До 2007 года основным ее продуктом была серия недорогих однократно программируемых ПЛИС PolarPro с низким энергопотреблением. Однако после этого момента компания решила уйти с FPGA-рынка и сфокусироваться на производстве CSSP микросхем (Customer Specific Standard Products), являющихся частным случаем специализированных интегральных схем.

CSSP устройства компании QuickLogic обладают следующими свойствами:

      Они однократно программируемы;

      Процесс программирования осуществляется самой компанией при участии пользователя;

      Эти устройства состоят из блоков двух типов:

      Программируемые блоки;

      Аппаратно зашитые блоки, реализующие USB, SD, MMC и другие интерфейсы (отсутствуют в устройствах серии PolarPro).

В связи с изменением политики компании, серия ПЛИС PolarPro была переориентирована в соответствующие CSSP устройства, а также было выпущено новое семейство CSSP микросхем ArcticLink.

Сферы применения микросхем компании QuickLogic:

      Смартфоны;

      Плееры;

      Портативные навигационные устройства;

      HDD диски;

      Flash-карты и т.д.

ФГУП "НИИ КВАНТ"

Кластеры из реконфигурируемых вычислительных модулей на базе специализированных плат с программируемыми логическими интегральными схемами.

Achronix Semiconductor

В отличие от многих производителей ПЛИС, компания Achronix Semiconductor при производстве ПЛИС FPGA делает ставку не на низкую стоимость и энергопотребление, а на высокую производительность и надежность. Выпускается две серии микросхем:

Серия Achronix-Ultra с частотой до 2.2 ГГц, что является рекордным значением для ПЛИС.

Серия Achronix-Xtreme с частотой около 1 ГГц, устойчивых к радиационному излучению и предназначенных для работы в большом температурном диапазоне - от -260°С до +130°С.

Причиной появления столь высокой тактовой частоты является использование асинхронной технологии - элементы микросхемы не синхронизированы между собой. При этом частота в 2.2 ГГц означает, что такая микросхема работает с той же производительностью, что и имеющая аналогичную архитектуру синхронизированная микросхема ( CEO Interview: John Lofton Holt of Achronix). Асинхронность скрыта от пользователя под уже синхронизированной аппаратной и программной инфраструктурой.

Как становится понятным из вышеперечисленных свойств выпускаемых данной компанией микросхем, основными целевыми отраслями являются сферы, требующие большой вычислительной мощности и/или работы в экстремальных условиях. Это аэрокосмическая и военная промышленности, высокопроизводительные вычисления, а также сфера коммуникаций и цифровая обработка сигналов.

Sun Microsystems

Компания Sun в 2005 году запустила проект OpenSparc, в рамках которого она предоставляет открытые коды процессора UltraSparc T1 и предлагает разработчикам участвовать в процессе его усовершенствования. А для того, чтобы процесс разработки был более доступным, Sun предлагает реализацию на ПЛИС некоторых элементов OpenSparc - собственно ядра процессора Sparc, математического сопроцессора и коммутатора между центральным процессором и кэш-памятью.

MathStar

Компания MathStar занимается производством устройств с программируемой логикой, однако она выпускает не совсем обычные микросхемы - Field Programmable Object Arrays (FPOA). Отличием последних является то, что в них логические вентили объединены в объекты, каждый из которых обладает некоторой законченной функциональностью. Объекты бывают двух типов: основные и периферийные. Основные объекты - арифметико-логическое устройство, умножитель и регистровый файл, - работают на частоте в 1 ГГц и предназначены собственно для вычислений, тогда как периферийные объекты предоставляют дополнительную память и доступ к вводу/выводу. Наличие у всех объектов одинакового интерфейса позволяет варьировать число и расположение каждого из них.

Преимуществом такого подхода является абстрагирование от самого низкого уровня архитектуры при ее проектировании: пользователю приходится работать не с уровнем вентилей, а с уровнем объектов. Это существенно упрощает процесс проектирования, однако уменьшает гибкость системы.

Основной и практически единственной областью применения данных устройств является обработка видео и изображений, о чем свидетельствует набор предоставляемых IP-ядер, нацеленных целиком на использование в данной сфере.

National Instruments

Основной сферой компании National Instruments является разработка и создание различных программно-аппаратных средств автоматизации моделирования, диагностики, тестирования и т.д. В области ПЛИС эта компания представлена различными готовыми решениями на базе существующих FPGA-микросхем, а также программным обеспечением высокого уровня для проектирования ПЛИС-архитектуры для этих решений.

Среди готовых решений представлены программируемые контроллеры, подключаемые PCI и PXI платы, предназначенные для обработки данных или организации высокоскоростного ввода/вывода, а также системы слежения, в которых FPGA-микросхемы используются для обработки изображений, модуляции сигналов и синхронизации.

SGI

Компания SGI является одним из лидеров в области высокопроизводительных вычислений. Среди ее разработок семейство Altix масштабируемых блейд-серверов, система высокоскоростного межсетевого взаимодействия NUMALink, а также различные решения в области хранения данных.

Для увеличения производительности компания SGI выпустила в 2006 году блейд-модуль с использованием FGPA ускорителей - SGI RASC RC100. В его состав входят две ПЛИС микросхемы Xilinx Virtex 4, 80 МБ QDR SRAM, а также 4 порта NUMALink. Модуль рассчитан на использование в блейд-серверах семейства Altix. Компания SGI предлагает использовать данное решение в задачах исследования жидкостей и газа, биоинформатики, а также в военной сфере.

Для возможности использования и программирования ПЛИС-микросхем предлагается следующее:

      Встроенный отладчик GNU Debugger для работы с программой, предназначенной для запуска на ПЛИС;

      RASC Abstraction Layer для обеспечения масштабирования;

      Поддержка языков высокого уровня Mitrion-C и Impulse-C;

      Поддержка языков Verilog/VHDL.

НИИ МВС ЮФУ

Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой, построенные на основе принципа модульного наращивания.

Cray

Компьютерный гигант компания Cray поддерживает программу Adaptive Supercomputing, идея которой состоит в создании гибридных суперкомпьютеров, объединяющих различные архитектуры. Необходимость таких компьютеров они объясняют тем, что суперкомпьютеры с обычной архитектурой зачастую не предоставляют нужной производительности, а главное - гибкости.

В 2004 году Cray построила гибридный суперкомпьютер Cray XD1, в котором для большего ускорения совместно с основными процессорами AMD Opteron используются FPGA-микросхемы компании Xilinx. А в 2007 году был построен суперкомпьютер Cray XT5h, объединяющий в себе скалярные и векторные процессоры, а также процессоры на основе ПЛИС.

MNB Technologies

Образованная бывшими сотрудниками компании Mentor Graphics компания MNB Technologies занимается разработкой и производством устройств на основе ПЛИС, обладающих повышенной надежностью и предназначенных для использования в "полевых" условиях, то есть в мобильных и персональных компьютерах. Основные продукты этой компании:

          Подключаемый модуль turboRTAG, который призван облегчить процесс объединения гетерогенных систем под одной архитектурой за счет использования общего коммуникационного протокола;

          Подключаемая RASP-плата (RASP - reconfigurable architecture for software protection), которая обеспечивает защиту сети. Она служит заменой Ethernet адаптера на хост-компьютере и предоставляет сетевой интерфейс и защищенную передачу данных.

          Программный продукт solutionBUS, который обеспечивает более простой и надежный процесс разработки приложений для ПЛИС. solutionBUS может предоставляться в виде класса языка SystemC, Impulse-C библиотеки или зашифрованной Verilog библиотеки.

Также компания MNB Technologies предлагает различные сервисы по разработке необходимой архитектуры для плат, ПЛИС-микросхем и проектированию.

CPU Tech

Основное направление компании CPU Tech - разработка и создание систем на кристалле (SoC) - схем, выполняющих функцию целого устройства. Решения такого класса часто применяются в тех областях, где необходимы небольшой размер и энергопотребление при достаточно высокой производительности, например, в оборонной и автомобильной промышленности, а также в банковском деле и системах безопасности.

Основным решением компании в области "железа" является SoC-семейство Acalis. CPU Tech называет эти устройства Программируемые логические многоядерные схемы (Field Programmable Multicore Chip, FPMC). Если обычные ПЛИС микросхемы - это набор вентилей, то FPMC - это набор ядер, которые в этих устройствах являются элементарными единицами. Каждое ядро (микропроцессор) - это либо блок вычислений, ввода/вывода или RAM памяти, либо контроллер памяти, либо элемент коммуникаций. Для работы с данными устройствами не требуется специальное ПО: те программные средства, которые используются при работе со стандартными микропроцессорами, могут быть применены и на FPMC-устройствах.