Az FPGA-k technológiai fejlődése BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR MÉRÉSTECHNIKA ÉS INFORMÁCIÓS RENDSZEREK TANSZÉK Az FPGA-k technológiai fejlődése Fehér Béla BME MIT FPGA laboratórium

Komplex programozható eszközök 80-as évek közepe a félvezetőipar fejlődésében az egyik legdinamikusabb korszak Felhasználói igények folyamatosan nőttek Nagyobb logikai és interfész kapacitás Technológiai lehetőségek folyamatosan bővültek Integráltság növelhető (Moore törvény) Két megközelítés (a programozható áramkörökre) Programozhatóság → Komplexitás CPLD Komplexitás → Programozhatóság FPGA

Komplexitás → Programozhatóság Hagyományos technológia Felhasználói igények figyelembevétele MPGA Maszk Programozott áramkör Moore törvény hatása a PLD piacon Tranzisztor költsége, mértete folyamatosan csökken Redundancia, áramköri költség növelhető Piacra jutási idő jelentősége nő Prototípus, kis sorozat, induló termék „Time to Market”

FPGA Field Programmable Gate Array 1984 Xilinx megalapítása Ross Freeman feltaláló Bernie Vonderschmitt „fabless company idea” Jim Barnett csendestárs?? 1985 XC2064 64 logikai cella LUT + DFF ~50 I/O 5V, 50MHz „toggle rate”

FPGA technológiák Felhasználó általi programozhatóság Egyszer, nem javíthatóan (max. inkrementális jav.) Többször, de csak törlés után Minden induláskor Automatikusan master módban, vagy külső vezérlés alatt, slave módban Működés közben Teljes konfiguráció átkapcsolása ( indulási + egyéb) Részleges, dinamikus átkonfigurálás

OTP FPGA Egyszer programozható eszközök A konfigurációs elem neve : antifuse Információ: Fizikai állapot változtatása Előnyök: Kis méret ROFF, rON, C Biztonságos Kiolvasás Változás Actel, Quicklogic

Flash FPGA Sokszor programozható, de csak törlés után Programozás, törlés beépítve is lehetséges Flash cella felépítése (Actel ProASIC) Információ: töltés Előny: Állandó konfiguráció Módosítható Biztonságos Actel

SRAM FPGA A „hagyományos” FPGA megvalósítási elv A legáltalánosabb CMOS technológia Minden információ memória cellákban Beolvasandó, betöltendő Előny: Bármikor átprogramozható Olcsó technológia Mindig a legjobb felbontás Konfiguráció megváltozhat Kozmikus sugárzás SEU, egyedi változás

Értékelés technológia alapján Elérhető komplexitásban az SRAM verhetetlen Intel/Altera Stratix10 14nm 5.5 millió LE Xilinx Virtex UltraScale+ 16nm 3.6millió LC Sebesség Blokkok 600 - 700MHz, rendszer 400 – 500 MHz Tokozás, lábszám, interfészek SRAM 1000 – 2800 láb BGA tokok Speciális interfészek SERDES, DDR4, HBM, PCIe Gen3/Gen4, 100GE, 150G Interlaken,

FPGA felépítése Egyszerűsített nézet (felhasználói oldalról nézve) Általános célú logikai elemek Programozható huzalozás Kivezetések Példa: Korai Xilinx SRAM FPGA

FPGA felépítése A valódi komplexitás részben rejtve van Két réteg logika Konfiguráció beléptetése Visszaolvasás Példa: korai Xilinx SRAM FPGA

Logikai cella Közepes granularitású SRAM LUT cellák LUT = Look Up Table = kis méretű memória 4 - 6 változó tetszőleges függvénye, 16 - 64 bit a konfigurációból + a DFF és kimeneti vezérlés

Teljes CLB elem 2 db Slice, logikai, aritmetikai és memória erőforrásokkal 1 Slice = 4 db LUT6 + 8 db DFF + Carry + MUX Marketing? Teljes komplexitás? FPGA – ASIC? Ekvivalens kapu, rendszer kapu?

I/O funciók Alapvetően minden felhasználói láb I/O, tehát lehet kimenet, bemenet, LVDS, Bankonként választható 1,2V – 3,3V IO feszültség A valódi I/O blokkok sokkal bonyolultabbak Beépített DDR támogatás, 1600-2400 Mbps SERDES funkciók Progr. késleltetések Vezérelt impedancia Sebesség, áram vezérlés

A huzalozás fontossága A félvezető szelet felületének 80%-a A terv minőségét döntően befolyásolja Időzítések a huzalozási szintek számán buknak el Intel Startix 10 HypeFlex Beágyazott regiszterek Automatikus átütemezés 1,5x sebességnövelés

Speciális modulok DSP blokkok akár lebegőpontos műveletvégzés Áramkörön belüli blokk memória, extrém sebesség Órajel vezérlő elemek és dedikált órajelhálózatok Nagysebességű soros interfészek, Ethernet MAC, PCIe blokk Többchipes, 2,5D/3D IC felépítés Eltérő funkciók: FPGA + ASIC/Memória/Analóg Eltérő technológiák: 14nm FPGA + 20/28/40nm

Technológiai összefoglalás Komplex rendszerek tervezéséhez különböző eszközeink vannak, ezek egyike az FPGA Közepes, vagy kis sorozatoknál nem gazdaságos egyedi ASIC fejlesztése (idő, pénz, munka) FPGA-k rugalmasan alkalmazhatók, gyors tervezés, megvalósítás, módosíthatóság, Egyedi előnyök, alkalmazásfüggő specialitások Nagy komplexitás Nagy sebesség NEM EGYSZERRE! Kis fogyasztás

FPGA-k az oktatásban A tetszőlegesen programozható/konfigurálható áramkör tulajdonságai igen kedvezőek Kis induló költség, többszöri újrahasználhatóság Letöltés után azonnali működtethetőség, hibakeresés, javítás, újra fordítás, tesztelés KIVÁLÓ OKTATÁSI PLATFORM A digitális rendszertervezés minden lehetséges alkalmazási területén jól használható Bizonyos értelemben a valódi VLSI áramkörtervezés sok területét is jól modellezi

A technológia megjelenése A kezdetek: ~ 1990 FMFA (Felsőoktatási Műszaki Fejlesztési Alap) pályázat, több felsőoktatási intézmény együttes bevonásával (BME, ME, …) Xilinx 2000/3000-es sorozatú demokártyák és áramkörök közvetlen fejlesztésekre

Eszközháttér Az EDA technológia elemei: DASH kapcsolási rajz szerkesztő Hierarchikus tervezés, makro blokkok Xilinx XACT Áramkör generálás, elhelyezés, huzalozás, konfigurációs fájl generálás SimuCAD szimulátor Logikai és időzítés szimuláció

XUP Xilinx University Program Közvetlen támogatási lehetőség Szoftver és hardver eszközök juttatása Folyamatos fejlesztési lehetőség

FPGA-k az oktatásban Kezdetben önálló laboratóriumi projektek Első diplomatervek: 1992 Algoritmusok hardver megvalósítása Digitális aritmetika tetszőleges adatformátummal Digitális jelfeldolgozás, szűrők, transzformációk Mérőeszközök, áramkörök flexibilis kialakítása Perifériaillesztők, egyedi perifériák Képfeldolgozás, megjelenítők

VIK Diplomaterv portál 2010-től aktív Az FPGA kulcsszó a 3. leggyakoribb 166 előfordulás (MIT 99)

FPGA-k az oktatásban A MIT oktatási portfóliójába teljes mértékben beilleszthető Mérés és rendszertervezés szakirány, 5 éves képzés Logikai tervezés tárgy 1993 Digitális rendszertervezés Mikroprocesszoros rendszerek Programozható áramkörök 30%

FPGA-k az oktatásban Választható tárgyak ~ 2002 Jelfeldolgozó processzorok (25%) Hardver algoritmusok FPGA implementáció Mikrorendszerek tervezése RISC mikroprocesszor Lágyprocesszor realizálása Utasításkészlet definiálása Buszrendszer, perifériák

Mellékszakirány Programozható logikai eszközök alkalmazástechnológiája Indult 2008-ban, az egyik legnépszerűbb, ~50 hallg. Tárgyak: Logikai tervezés Mikrorendszerek tervezése Heterogén számítási rendszerek FPGA tervezői laboratórium

LOGSYS FPGA kártyák Hallgatói projektként indult 2002-ben Résztvevők: Molnár Gábor, Fülöp Tamás 2002 Kis Gergely, Márton Tibor, Zigó Attila 2004 Czakó Péter, Laczkó Péter 2007 Fejér Attila 2014 Raikovich Tamás 2007 – 2017 Egyszerű demo alkalmazások, összetett projektek Széleskörű használat

LOGSYS FPGA kártyák Teljes laboratóriumi eszközháttér Hardver alapkártyák Spartan3E, Spartan6 Kiegészítő modulok (VGA, Audio, Ethernet,…) LOGSYS GUI szoftver alkalmazás USB táp JTAG konfig. UART komm. CLK/RST

LOGSYS FPGA-KINTEX7 kártya A projekt keretében kifejlesztett FPGA kártya Minden oktatási feladatra alkalmas Digitális rendszerek (Multi) Processzoros rendszerek Nagysebességű HW gyorsító eszköz Dinamikus átkonfigurálás Partnerek: NHIT, NI

Összefoglalás Az FPGA labor munkatársai Szántó Péter, Raikovich Tamás, Wacha Gábor Lazányi János (2015-ig) Doktorandusz hallgatók Szedő Gábor, Antoni Lőrinc, Széll András, Dancsi György, Pechan Imre, Laczkó Péter, Kiss Gergely, Szikra István,