Was ist ein vor Field Programmable Gate Array (FPGA)?

Ein ASIC wird für eine bestimmte Anwendung entwickelt und optimiert und kann nicht neu konfiguriert werden. Die internen Schaltungselemente (Transistoren) sind in einer festen Struktur angeordnet, zwischen denen sich eine feste und unveränderliche Verbindung (Verdrahtung) befindet.   

Weil ein ASIC nur einem Zweck dient, beinhaltet er nur die logischen Elemente, die für diesen Zweck notwendig sind. Wenn zum Beispiel kein Gleitkomma-Multiplikator benötigt wird, dann ist er nicht in das Design integriert. 

Umgekehrt kann ein FPGA für alle potenziellen Anwendungen konfiguriert und neu konfiguriert werden. Wie bei einem ASIC sind die internen Schaltungselemente in einer festen Struktur angeordnet (programmierbare Logikblöcke oder PLBs), jedoch mit rekonfigurierbaren Verbindungen dazwischen. Die Logikelemente in einem FPGA werden so ausgewählt, dass sie eine Vielzahl von Anwendungen unterstützen, leiden jedoch unter dem Prinzip „Use it or lose it“, wenn bestimmte Logikelemente nicht verwendet werden. Wenn für eine bestimmte Anwendung kein Gleitkommamultiplikator erforderlich ist, das FPGA jedoch einen enthält, ist diese Ressource nicht verbunden und stellt „verschwendeten Speicherplatz“ innerhalb des FPGAs dar.

Beide Geräte können zwar Hunderte Millionen von Transistoren enthalten, aber ein ASIC kann diese Transistoren verwenden, um hohe Effizienz und Leistung auf Kosten der Flexibilität zu erzielen. Die anfänglichen NRE-Gebühren für die Entwicklung eines ASIC können exorbitant sein, während die Kosten pro Einheit relativ niedrig sein können. 

Ein FPGA nutzt seine Transistoren, um eine hohe Effizienz und hohe Leistung zu liefern, aber auch eine enorme Flexibilität. Die NRE-Gebühren für die Entwicklung eines FPGA können im Voraus extrem niedrig sein, während die Kosten pro Einheit in der Regel höher sind. Es ist wichtig zu beachten, dass dies keine festen Regeln sind. Im Performance-Bereich haben sich beispielsweise die jüngsten FPGAs zu Taktraten von mehr als 500 MHz weiterentwickelt und werden in der Regel auf dem neuesten Stand der Technik in Silizium-Prozessgeometrien hergestellt. Kurz gesagt: Die Grenze zwischen FPGAs und ASIC wird mit jeder neuen FPGA-Generation immer unschärfer.

Spezifische FPGA-basierte Funktionen sowie die Verbindungen zwischen diesen Funktionen werden in einem HDL „beschrieben“. Die Beschreibung wird kompiliert, um eine FPGA-Konfigurationsdatei zu erstellen. Durch die Verwendung einer Hardwarebeschreibungssprache ist es möglich, integrierte FPGA-Ressourcen (Speicherarrays, PCI-Kerne und viele mehr) zu verwenden und aus primitiveren FPGA-Elementen benutzerdefinierte Logikschaltungen (Addierer, Multiplexer und andere anwendungsspezifische Funktionen) zu erstellen.

In einem Prozess, der als Synthese bekannt ist, wird der HDL-Code in eine Netzliste übersetzt, eine effektive Beschreibung der Logikgatter und Verbindungen, die zur Implementierung des HDL-Codes benötigt werden. Die Netzliste wird dann auf die PLBs und Verbindungen gemappt, die physisch die einzigartige Schaltung bilden.

Moderne FPGAs von Herstellern wie Intel und Altera bieten eine breite Palette digitaler und analoger Funktionen, darunter beeindruckende Logikdichten, Flash-Speicher, eingebettete Prozessoren und Blöcke zur digitalen Signalverarbeitung (DSP). FPGAs können konfiguriert und neu konfiguriert werden, indem elektrische Ein- und Ausgänge geändert werden, ausgewählt wird, welche internen Ressourcen verwendet werden, und über konfigurierbare Routing-Ressourcen bestimmt wird, wie diese Ressourcen verbunden werden. Das Endergebnis ist eine dedizierte Hardwarelösung zur Lösung eines bestimmten Problems.

Wie bei der Software kann die Entwicklung komplexer FPGA-Designs durch die Verwendung vorgefertigter Bibliotheken mit verschiedenen Funktionen und digitalen Schaltkreisen, die als IP-Cores (Intellectual Property) bezeichnet werden, rationalisiert werden. Diese Bibliotheken können von FPGA-Anbietern und Drittanbietern, die oft auf die Entwicklung verschiedener Funktionen spezialisiert sind, gekauft oder geleast werden.

Bei diesen programmierbaren Elementen handelt es sich in erster Linie um konfigurierbare Logikblöcke (CLBs), programmierbare Verbindungselemente, programmierbares Routing, programmierbare Eingabe-/Ausgabeblöcke (IOBs), On-Chip-Speicher und digitale Signalverarbeitungsblöcke (DSPs). 

Konfigurierbare Logikblöcke (CLBs) sind die Hauptkomponente von FPGAs. CLBs enthalten in der Regel einige primitive Logikelemente (Logikgatter, kleine Nachschlagetabellen, Flip-Chips, Multiplexer und vieles mehr). Innerhalb des CLB dient ein Flip-Flop in der Regel als Hauptdatenspeicherelement, obwohl neuere Gerätefamilien auch flache Speicherelemente innerhalb des CLB enthalten können.

Verbindungen, die aus Kabelsegmenten bestehen, die durch elektrisch programmierbare Schalter verbunden sind, ermöglichen Routingpfade zwischen dem Logikblock des FPGA. Schaltkästen mit mehreren grundlegenden Halbleiterschaltern werden häufig verwendet, um die programmierbare Verbindung eines FPGAs herzustellen. Über diese Verbindungen können die Outputs einer bestimmten Einheit oder eines Eingangspads mit einer anderen Zelle oder einem anderen Pad innerhalb der Schaltungstechnik verknüpft werden.

Vorgefertigte Kabelsegmente werden durch die programmierbaren Verbindungen miteinander verbunden (oder offen gelassen), um eine vollständig programmierbare Routing-Infrastruktur innerhalb eines FPGA zu schaffen. Routing-Ressourcen sind hierarchischer Natur, mit einer Kombination aus langen, mittleren und kurzen Leitungen, die verschiedene „Längen“ innerhalb des FPGA abdecken.  Diese programmierbare Routing-Infrastruktur, die durch die programmierbaren Verbindungen entsteht, ermöglicht es Benutzern, FPGA-Ressourcen für die Implementierung einer bestimmten Aufgabe oder Anwendung zu konfigurieren.

Die Schnittstelle zwischen einem FPGA und anderen externen Geräten wird durch Eingabe/Ausgabe (I/O) in Blöcken (IOBs) ermöglicht. IOBs sind programmierbare Ein- und Ausgaberessourcen, die so konfiguriert sind, dass sie den Protokollen aller externen Geräte entsprechen, mit denen der FPGA verbunden ist. Alle Signale, die in das FPGA eintreten oder es verlassen, erfolgen über Gerätepins und zugehörige IOBs.

Die frühesten FPGAs verwendeten nur Flip-Flops (FFs), um Speicher in die FPGA-Logikblöcke zu integrieren. Mit der Zunahme der FPGA-Funktionen erforderten die immer komplexeren Designs jedoch einen dedizierten On-Chip-Speicher für die Pufferung und Wiederverwendung von Daten. Moderne FPGAs verwenden große SRAM-Speicherarrays, kleinere Look-up-Tabellen (LUTs) und traditionelle Flip-Flop-Elemente, um den erforderlichen Speicher für eine bestimmte Anwendung bereitzustellen.

In frühen FPGAs waren die einzigen verfügbaren arithmetischen Ressourcen einfache Addierer. Alles Komplexere wurde aus einfacheren Logikelementen aufgebaut. Mit dem Fortschritt der Siliziumtechnologie wurden jedoch komplexere arithmetische Ressourcen in FPGAs integriert, was im modernen FPGA-DSP-Block gipfelte. DSP-Blöcke stellen hochoptimierte Ressourcen (Multiplikatoren, Akkumulatoren und vieles mehr) für die Implementierung von besonders leistungsstarken arithmetischen Funktionen zur Verfügung.

Durch ihre Verwendung entfällt die Notwendigkeit, diese Funktionen in universelle CLBs zu implementieren, wodurch die CLBs für andere Zwecke frei werden. Diese Ressourcen können bei Operationen wie digitaler Filterung, Faltung, Fourier-Transformationen, trigonometrischen Operationen und vielen weiteren zum Einsatz kommen, um Echtzeitleistung in Anwendungen wie der Radarverarbeitung, Strahlformung, Mustererkennung und anderen zu erzielen.

• Auf Anti-Sicherung basierte FPGAs: FPGAs, die konfigurierbar, aber nicht rekonfigurierbar sind. Sie verwenden ein einmaliges programmierbares Element, das als Anti-Sicherung bezeichnet und durch Anlegen einer Hochspannung konfiguriert wird, um Verbindungen zwischen internen Drähten herzustellen. Ein FPGA auf Anti-Sicherungsbasis kann nur einmal konfiguriert und nicht neu konfiguriert werden.
• SRAM-basierte FPGAs: Diese Arten von FPGAs sind äußerst vielseitig und können zur Laufzeit konfiguriert werden. SRAM-basierte FPGAs verwenden statische Direktzugriffsspeicher (SRAM), um ihre Konfigurationsanweisungen zu speichern, und benötigen externe Speicher, um den Konfigurationscode zu speichern.
• Flash-basierte FPGAs: Im Gegensatz zu SRAM-basierten FPGAs speichern Flash-basierte FPGAs ihre Konfiguration in einem nichtflüchtigen Flash-Speicher, was den zusätzlichen Vorteil hat, dass sie neu programmierbar sind.
• EEPROM-basierte FPGAs: Diese Art von FPGAs ähnelt Flash-basierten FPGAs, aber der elektronisch löschbare programmierbare Read-Only-Speicher (EEPROM) speichert die Konfiguration des FPGAS. Beide Stile sind nichtflüchtig und umprogrammierbar.
• Hybride FPGAs: Hybride FPGAs bieten unterschiedliche Leistungsniveaus, einen stromsparenden Betrieb und Vielseitigkeit durch eine Kombination verschiedener programmierbarer Elemente, wie z. B. SRAM- oder Flash-basierte Logikblöcke.
• System-on-Chip-FPGAs: System-on-Chip (SoC) FPGAs integrieren programmierbare Logik mit harten Prozessorkernen und kombinieren die Funktionalität eines FPGAs und eines SoC, einem einzigen Siliziumchip, der mehrere Systemverarbeitungschips wie CPUs, GPUs und RAM in einer Einheit kombiniert.