(جديد وأصلي) متوفر في المخزون 3S200A-4FTG256C IC Chip XC3S200A-4FTG256C

سمات المنتج

 مصفوفة البوابة الميدانية القابلة للبرمجة

 أمجموعة بوابة قابلة للبرمجة ميدانيًا(FPGA) هودارة متكاملةمصممة ليتم تهيئتها من قبل العميل أو المصمم بعد التصنيع - ومن هنا جاء المصطلحقابلة للبرمجة الميدانية.يتم تحديد تكوين FPGA بشكل عام باستخدام ملفلغة وصف الأجهزة(HDL)، وهو مشابه لتلك المستخدمة فيالدوائر المتكاملة محددة التطبيقات(أسيك).مخططات الدائرةتم استخدامها سابقًا لتحديد التكوين، ولكن هذا أصبح نادرًا بشكل متزايد نظرًا لظهورأتمتة التصميم الإلكترونيأدوات.

تحتوي FPGAs على مجموعة منقابلة للبرمجة كتل المنطق، وتسلسل هرمي من الوصلات البينية القابلة لإعادة التشكيل مما يسمح بتوصيل الكتل معًا.يمكن تكوين الكتل المنطقية لأداء معقدوظائف توافقية، أو التصرف بهذه البساطةبوابات المنطق، بوابات منطقيةيحبووXOR.في معظم FPGAs، تتضمن الكتل المنطقية أيضًاعناصر الذاكرة، والتي قد تكون بسيطةشباشبأو كتل أكثر اكتمالا من الذاكرة.^[1]يمكن إعادة برمجة العديد من FPGAs لتنفيذ عمليات مختلفةوظائف المنطق، مما يسمح بالمرونةالحوسبة القابلة لإعادة التشكيلكما تم فيبرامج الكمبيوتر.

FPGAs لها دور ملحوظ فينظام مضمننظرًا لقدرتها على بدء تطوير برمجيات النظام في وقت واحد مع الأجهزة، وتمكين محاكاة أداء النظام في مرحلة مبكرة جدًا من التطوير، والسماح بتجارب النظام المختلفة وتكرارات التصميم قبل الانتهاء من بنية النظام.^[2]

تاريخ[يحرر]

نشأت صناعة FPGA منذاكرة للقراءة فقط قابلة للبرمجة(حفلة موسيقية) والأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة(PLDs).تتمتع كل من PROMs وPLDs بخيار البرمجة على دفعات في المصنع أو في الميدان (قابلة للبرمجة ميدانيًا).^[3]

ألتيراتأسست في عام 1983 وسلمت أول جهاز منطقي قابل لإعادة البرمجة في الصناعة في عام 1984 - EP300 - والذي يتميز بنافذة كوارتز في العبوة التي تسمح للمستخدمين بتسليط مصباح فوق بنفسجي على القالب لمحوإيبرومالخلايا التي تحمل تكوين الجهاز.^[4]

شيلينكسأنتجت أول قابلة للبرمجة ميدانيا قابلة للتطبيق تجاريامصفوفة البوابةفي عام 1985^[3]– XC2064.^[5]كان لدى XC2064 بوابات قابلة للبرمجة ووصلات قابلة للبرمجة بين البوابات، وهي بدايات التكنولوجيا والسوق الجديدة.^[6]يحتوي XC2064 على 64 كتلة منطقية قابلة للتكوين (CLBs)، مع اثنين من ثلاثة مدخلاتابحث عن طاولات(طرفيات المستعملين المحليين).^[7]

في عام 1987،مركز الحرب السطحية البحريةقام بتمويل تجربة اقترحها ستيف كاسلمان لتطوير جهاز كمبيوتر يمكنه تنفيذ 600000 بوابة قابلة لإعادة البرمجة.كان كاسلمان ناجحًا وتم إصدار براءة اختراع تتعلق بالنظام في عام 1992.^[3]

واصلت Altera وXilinx دون منازع ونمت بسرعة من عام 1985 إلى منتصف التسعينيات عندما ظهر المنافسون، مما أدى إلى تآكل جزء كبير من حصتهم في السوق.بحلول عام 1993، أكتيل (الآنميكروسيمي) كان يخدم حوالي 18 بالمائة من السوق.^[6]

كانت فترة التسعينيات فترة نمو سريع لـ FPGAs، سواء من حيث تعقيد الدوائر أو حجم الإنتاج.في أوائل التسعينيات، تم استخدام FPGAs بشكل أساسي فيالاتصالات السلكية واللاسلكيةوالشبكات.وبحلول نهاية العقد، وجدت FPGAs طريقها إلى التطبيقات الاستهلاكية والسيارات والتطبيقات الصناعية.^[8]

بحلول عام 2013، مثلت Altera (31 بالمائة)، وActel (10 بالمائة)، وXilinx (36 بالمائة) معًا ما يقرب من 77 بالمائة من سوق FPGA.^[9]

بدأت شركات مثل Microsoft في استخدام FPGAs لتسريع الأنظمة عالية الأداء والمكثفة حسابيًا (مثلمراكز البياناتالتي تعمل بهامحرك بحث بنج)، وذلك بسببالأداء لكل واطالميزة التي توفرها FPGAs.^[10]بدأت Microsoft في استخدام FPGAs من أجلتسريعبدأ Bing في عام 2014، وفي عام 2018 في نشر FPGAs عبر أعباء عمل مراكز البيانات الأخرى من أجلهمأزور حوسبة سحابيةمنصة.^[11]

تشير الجداول الزمنية التالية إلى التقدم في جوانب مختلفة من تصميم FPGA:

غيتس

• 1987: 9000 بوابة، شيلينكس^[6]
• 1992: 600.000، قسم الحرب السطحية البحرية^[3]
• أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين: الملايين^[8]
• 2013: 50 مليونًا، شيلينكس^[12]

حجم السوق

• 1985: أول FPGA تجاري: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 مليون دولار^[6]
• ج.1993: > 385 مليون دولار^{[6][فشل التحقق]}
• 2005: 1.9 مليار دولار^[13]
• تقديرات عام 2010: 2.75 مليار دولار^[13]
• 2013: 5.4 مليار دولار^[14]
• تقديرات عام 2020: 9.8 مليار دولار^[14]

يبدأ التصميم

أبداية التصميمهو تصميم مخصص جديد للتنفيذ على FPGA.

• 2005: 80,000^[15]
• 2008: 90,000^[16]

تصميم[يحرر]

تتمتع FPGAs المعاصرة بموارد كبيرة تبلغبوابات المنطق، بوابات منطقيةوكتل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لتنفيذ الحسابات الرقمية المعقدة.نظرًا لأن تصميمات FPGA تستخدم معدلات إدخال/إخراج سريعة جدًا وبيانات ثنائية الاتجاهالباصات، يصبح من الصعب التحقق من التوقيت الصحيح للبيانات الصالحة خلال وقت الإعداد ووقت الانتظار.

تخطيط الأرضيتيح تخصيص الموارد داخل FPGAs لتلبية هذه القيود الزمنية.يمكن استخدام FPGAs لتنفيذ أي وظيفة منطقيةأسيكيستطيع اداء.القدرة على تحديث الوظيفة بعد الشحن،إعادة التكوين الجزئيمن جزء من التصميم^[17]والتكاليف الهندسية المنخفضة غير المتكررة مقارنة بتصميم ASIC (على الرغم من تكلفة الوحدة المرتفعة عمومًا)، توفر مزايا للعديد من التطبيقات.^[1]

تحتوي بعض FPGAs على ميزات تناظرية بالإضافة إلى الوظائف الرقمية.الميزة التناظرية الأكثر شيوعًا هي أنها قابلة للبرمجةمعدل الانحرافعلى كل طرف إخراج، مما يسمح للمهندس بتعيين معدلات منخفضة على المسامير المحملة بخفة والتي قد تكون بخلاف ذلكجرسأوزوجبشكل غير مقبول، ولتحديد معدلات أعلى على المسامير المحملة بكثافة على القنوات عالية السرعة والتي قد تعمل ببطء شديد.^[18][19]ومن الشائع أيضًا وجود الكوارتزالمذبذبات الكريستالية، ومذبذبات المقاومة والسعة الموجودة على الرقاقة، وحلقات مقفلة المرحلةمع جزءا لا يتجزأمذبذبات يتم التحكم فيها بالجهديستخدم لتوليد الساعة وإدارتها بالإضافة إلى جهاز التسلسل وإلغاء التسلسل عالي السرعة (SERDES) الذي ينقل الساعات واستعادة ساعة جهاز الاستقبال.شائعة إلى حد ما هي التفاضليةمقارناتعلى دبابيس الإدخال المصممة للاتصال بهاالإشارات التفاضليةالقنوات.قليلة "إشارة مختلطةلقد تم دمج FPGAs في الأجهزة الطرفيةالمحولات التناظرية إلى الرقمية(أدس) والمحولات الرقمية إلى التناظرية(DACs) مع كتل تكييف الإشارة التناظرية مما يسمح لها بالعمل كملفنظام على شريحة(شركة نفط الجنوب).^[20]مثل هذه الأجهزة تطمس الخط الفاصل بين FPGA، التي تحمل الأرقام الرقمية والأصفار على نسيجها الداخلي القابل للبرمجة، ومجموعة تناظرية قابلة للبرمجة ميدانيًا(FPAA)، الذي يحمل قيمًا تناظرية على نسيج التوصيل البيني الداخلي القابل للبرمجة.

الكتل المنطقية[يحرر]

المقال الرئيسي:كتلة المنطق

مثال توضيحي مبسط للخلية المنطقية (LUT –جدول البحث، اتحاد كرة القدم –الأفعى الكاملة، قوات الدفاع الفرنسية –قلاب من النوع D)

تتكون بنية FPGA الأكثر شيوعًا من مجموعة منكتل المنطق(تسمى الكتل المنطقية القابلة للتكوين، أو CLBs، أو كتل المصفوفة المنطقية، LABs، اعتمادًا على البائع)،منصات الإدخال / الإخراج، وقنوات التوجيه.^[1]بشكل عام، جميع قنوات التوجيه لها نفس العرض (عدد الأسلاك).قد تتناسب وسادات الإدخال/الإخراج المتعددة مع ارتفاع صف واحد أو عرض عمود واحد في المصفوفة.

"يجب أن يتم تعيين دائرة التطبيق في FPGA بموارد كافية.على الرغم من أنه يمكن تحديد عدد CLBs/LABs وI/Os المطلوبة بسهولة من خلال التصميم، إلا أن عدد مسارات التوجيه المطلوبة قد يختلف بشكل كبير حتى بين التصميمات التي لها نفس القدر من المنطق.(على سبيل المثال، أالتبديل العارضةيتطلب توجيهًا أكثر بكثير من aمجموعة الانقباضيمع نفس عدد البوابة.نظرًا لأن مسارات التوجيه غير المستخدمة تزيد من تكلفة (وتقلل من الأداء) للجزء دون تقديم أي فائدة، يحاول مصنعو FPGA توفير مسارات كافية فقط بحيث تناسب معظم التصميمات من حيثابحث عن طاولات(جداول البحث) وI/O يمكن أن يكونتوجيه.يتم تحديد ذلك من خلال تقديرات مثل تلك المستمدة منحكم الإيجارأو من خلال تجارب التصميمات الموجودة.^[21]اعتبارًا من عام 2018،شبكة على رقاقةويجري تطوير بنيات التوجيه والربط البيني.^{[بحاجة لمصدر]}

بشكل عام، تتكون الكتلة المنطقية من عدد قليل من الخلايا المنطقية (تسمى ALM، LE، شريحة وما إلى ذلك).تتكون الخلية النموذجية من جدول بحثي (LUT) ذو 4 مدخلات، أالأفعى الكاملة(فا) و أقلاب من النوع D.يمكن تقسيمها إلى جداول LUT ذات 3 مدخلات.فيالوضع العادييتم دمجها في جدول البحث (LUT) ذو 4 مدخلات خلال الأولمعدد(مكس).فيعلم الحسابالوضع، يتم تغذية مخرجاتها إلى الأفعى.تتم برمجة اختيار الوضع في Mux الثاني.يمكن أن يكون الإخراج إمامتزامنأوغير متزامناعتمادا على برمجة Mux الثالث.في الممارسة العملية، كل أو أجزاء من الأفعى هيمخزنة كوظائففي جداول البحث من أجل الحفظفضاء.^[22][23][24]

كتل صلبة[يحرر]

تتوسع عائلات FPGA الحديثة في القدرات المذكورة أعلاه لتشمل وظائف ذات مستوى أعلى مثبتة في السيليكون.وجود هذه الوظائف المشتركة المضمنة في الدائرة يقلل من المساحة المطلوبة ويعطي تلك الوظائف سرعة أكبر مقارنة ببنائها من البدائيات المنطقية.ومن الأمثلة على ذلكمضاعفات، نوعيكتل DSP,المعالجات المدمجةومنطق الإدخال/الإخراج عالي السرعة ومضمنذكريات.

يمكن أن تحتوي FPGAs المتطورة على سرعة عاليةأجهزة إرسال واستقبال متعددة جيجابتونوى IP الصلبةمثلنوى المعالج,إيثرنت وحدات التحكم في الوصول المتوسطة,PCI/بي سي اي اكسبريسوحدات التحكم، وأجهزة التحكم في الذاكرة الخارجية.توجد هذه النوى جنبًا إلى جنب مع النسيج القابل للبرمجة، ولكنها مبنية منهالترانزستوراتبدلاً من جداول البحث (LUTs) بحيث يكون لديهم مستوى ASICأداءواستهلاك الطاقةدون استهلاك قدر كبير من موارد النسيج، مما يترك المزيد من النسيج حرًا للمنطق الخاص بالتطبيق.تحتوي أجهزة الإرسال والاستقبال متعددة الجيجابت أيضًا على دوائر إدخال وإخراج تناظرية عالية الأداء بالإضافة إلى أجهزة تسلسل وإلغاء تسلسل عالية السرعة، وهي مكونات لا يمكن بناؤها من جداول البحث المحلية (LUTs).وظائف الطبقة المادية ذات المستوى الأعلى (PHY) مثلترميز الخطقد يتم أو لا يتم تنفيذه جنبًا إلى جنب مع أدوات التسلسل وإلغاء التسلسل في المنطق الصعب، اعتمادًا على FPGA.