تراشه ها ي منطقي برنامه پذ ير
2
Digital Devices
Full Custom
Standard Logic
Progammable Logic (FPLDs) ASICs
Digital Logic
TTL 74xx
CMOS 4xxx
PLDs FPGAs
Gate Arrays
Microprocessor & RAM
Standard Cell
CPLDs S
3
FPLD
• Field-Programmable Logic Devices: Pre-fabricated silicon devices that can be electrically
programmed to become almost any kind of digital circuit or system.
SPLD, CPLD, FPGA− FPGA is mostly used.
4
FPGA vs. ASIC
• ASIC: Months to fabricate Cost: hundreds of thousands to millions of dollars to
obtain the first device
• FPGAs: Configured in < 1 sec Cost: a few dollars to a few thousand dollars x20 to x35 area x3 to x4 slower x10 more dynamic power
[Kuon07.a]
5
CPLD
Interconection Wires
6
از CPLDبخشي
7
FPGAساختار
8
Altera PLD Products
• [wikinvest.com], 2008
http://www.wikinvest.com/images/thumb/1/1f/ALTR_salesbyproduct.jpg/350px-ALTR_salesbyproduct.jpg
CPLD
19%
FPGA
71%
Other
10%
9
FPGA Market 2004
“Xilinx currently has the majority of market share at 90nm and it supplies 90% of the FPGA industry’s 65nm sales.” 2008
10
FPGA Market 2004
• Xilinx: 53%
• Altera: 33%
• Lattice: 6%
• Actel + others: 8%
• Revenue: Xilinx: $1.84B (2008) Altera: $1.26B (2007)
http://www.wikinvest.com/stock/Altera_(ALTR)#_note-9
11
Internet References
• FPGA/CPLD Device Guide:
• http://www.fpga-guide.com/
• PLD FAQ:
• http://www.fpga-faq.com/
• ASIC, FPGA, SOC … resources:
• http://www.eg3.com/fpga/index.htm
• Google Directory:
http://directory.google.com/Top/Computers/Hardware/Programmable_Logic/FPGA/
• Newsgourp:
• http://groups.google.com/
comp.arch.fpga
12
FPLDها
ها:FPLD تفاوت •
هاLogic Cell ساختار داخلي •
• Programmability
• I/O Blockها
ساختار اتصاالت•
13
ريزي برنامه هاFPLDتکنولوژيهاي
تکنولوژيهاي اصلي:•
• SRAM سوييچهاي قابل برنامه ريزي= ترانزيستورهاي کنترل : SRAMشده توسط سلولهاي
• EPROM سوييچهاي قابل برنامه ريزي= ترانزيستورهاي :floating gate.که با تزريق بار به گيت شناور، خاموش مي شوند
• EEPROM و Flash.قابل پاک کردن به صورت الکتريکي :
• Antifuse با برنامه ريزي الکتريکي، يک مسير با مقاومت کم :پديد مي آيد.
به طور گسترده SRAM, Flash, Antifuseاز •استفاده مي شود.
14
SRAM
• Primary users of SRAM:
1. Most are used to set the select lines to multiplexers that steer interconnect signals.
15
MUX with SRAM
Bit 0
Bit 1
16
SRAM for LUTs
• Primary users of SRAM:
2. The majority of the rest are used to store the data in the lookup-tables (LUTs)
17
SRAM
SRAM Cell
• Primary users of SRAM:
3. To control the tri-state buffers and simple pass transistors for programmable interconnect
18
SRAM
مزايا:•
روش غالب•
استانداردCMOS استفاده از تکنولوژي ساخت •
برنامه ريزي مجدد سريع•
به دفعات نامحدودon-chip برنامه ريزي •
prototypingدر داخل سيکل طراحي
کارخانه ي سازنده مي تواند همه ي مسيرها را با •reprogram کردن FPGA تست کند
کاربر، آي سي کامال تست شده را مي گيرد و ندارد.DFTنيازي به ايجاد الگوهاي تست و مدارهاي
19
SRAM
اشکاالت:•
SRAM ترانزيستور براي هر سلول 6 مساحت )اشکال اصلي(: •
power-on )داراي مدار حسگر non-volatile نياز به حافظه ي خارجي •(.initializationاست براي
سرعت: بيشتر از نظر دانسيته بهينه شده اند نه سرعت.•
(intellectual property امنيت کم طرح در برابر سرقت )•
)حتي وقتي که برنامة آن SRAM توان مصرفي باالي سلول هاي •تغيير نمي کند(.
20
EPROM
نمي Vdd محبوس شدن الکترونها ولتاژ برنامه ريزي باال •تواند ترانزيستور را روشن کند
• EEPROM (Flash) باز گرداندن الکترونها با ميدان الکتريکي :(.EPROM)ظرفيت کمتر از
• Flash نوعي :EEPROM که پاک کردن و برنامه ريزي آن در بلوک هاي بزرگ انجام مي شود.
در سري هاي قبل کل حافظه بايد پاک مي شد.•
byte-programmable EEPROM بسيار ارزانتر از •
21
EPROM
مزايا:•
عدم نياز به حافظه ي خارجي.•
SRAM مساحت کمتر از • اشکاالت:•
مشکل تر بودن برنامه ريزي مجدد•
برنامه ريزي مجدد: تا چندصد بار )بارهاي الکتريکي زير •گيت جمع مي شوند(
: زياد.EPROM مقاومت روشن ترانزيستور •
نياز به چند مرحله ي ساخت عالوه بر پروسه ي استاندارد • CMOS.
22
Flash and SRAM
• Recently emerged FPGAs: Use of flash storage in combination with SRAM
programming technology:− LatticeXP (2005)− Xilinx: Spartan-3AN (2005)− Altera: MAX II (2005)
On-chip flash memory: to provide non-volatile storage SRAM cells: to control the programmable elements in
the design− No need for external non-volatile memory− Indefinite reconfigurability
23
Antifuse
را ذوب مي کند ONO عايق جريان برنامه ريزي باال •اتصال دايم.
هاي آنتي فيوز ظرفيتهاي بسيار PLD به علت کوچکي، •بااليي دارند.
24
Antifuse مزايا:•
عدم نياز به حافظه ي خارجي.•
ي سيمهاي via مساحت بسيارکم )تقريبا هم اندازه با •فلزي(.
قابليت اطمينان بسيار باال•
•( TDDB: Time-Dependent Dielectric Breakdown حدود )40 سال.
مقاومت کم در حالت روشن )در طي زمان هم کم مي •ماند(.
خازن پارازيتي بسيار کمتر.•
امنيت باالي طرح در برابر سرقت.•
اشکاالت:• توان مصرفي بسيار کمتر.•
عدم امکان برنامه ريزي مجدد.•
برنامه ريزي آن نياز به مدار اضافي دارد )بايد ولتاژ و •جريان باال ايجاد کند(.
25
ريزي برنامه تکنولوژيهاي بندي جمع
• Programming yield: The confidence for successful programming
[Kuon07.b]
Technology & Process
Volatile
Area Reprogram-mability
R (on state)
C (parasitic) fF
Manufacturing Process
Programming Yield
SRAM MUX pass trans.
Yes large Yes(In-circuit)
~500-1000
1-2 Standard CMOS
100%
Falsh No med Yes(In-circuit)
~500-1000
1-2 Flash Process 100%
Antifuse No small No ~50-100 <1 special development
>90%
26
References
• [Kuon07.a] I. Kuon and J. Rose, “Measuring the gap between FPGAs and ASICs,” IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 26, no. 2, pp. 203–215, 2007.
• [Kuon07.b] I. Kuon, R. Tessier, “FPGA Architecture: Survey and Challenges,” Foundations and Trends in Electronic Design Automation, Vol. 2, No. 2 (2007) 135–253.
• www.altera.com
• www.xilinx.com