Matriz de puerta programable en campo

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Una FPGA de Altera.
Una Spartan de Xilinx.

Una FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array) es un dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad puede ser configurada 'in situ' mediante un lenguaje de descripción especializado. La lógica programable puede reproducir desde funciones tan sencillas como las llevadas a cabo por una puerta lógica o un sistema combinacional hasta complejos sistemas en un chip.

Las FPGAs se utilizan en aplicaciones similares a los ASICs sin embargo son más lentas, tienen un mayor consumo de potencia y no pueden abarcar sistemas tan complejos como ellos. A pesar de esto, las FPGAs tienen las ventajas de ser reprogramables (lo que añade una enorme flexibilidad al flujo de diseño), sus costes de desarrollo y adquisición son mucho menores para pequeñas cantidades de dispositivos y el tiempo de desarrollo es también menor.

Ciertos fabricantes cuentan con FPGAs que sólo se pueden programar una vez, por lo que sus ventajas e inconvenientes se encuentran a medio camino entre los ASICs y las FPGAs reprogramables.

Históricamente las FPGA surgen como una evolución de los conceptos desarrollados en las PAL y los CPLD.

Historia: FPGA vs CPLD

Arquitectura interna de una FPGA.

Las FPGAs fueron inventadas en el año 1984 por Ross Freeman y Bernard Vonderschmitt, co-fundadores de Xilinx, y surgen como una evolución de los CPLDs.

Tanto los CPLDs como las FPGAs contienen un gran número de elementos lógicos programables. Si medimos la densidad de los elementos lógicos programables en puertas lógicas equivalentes (número de puertas NAND equivalentes que podríamos programar en un dispositivo) podríamos decir que en un CPLD hallaríamos del orden de decenas de miles de puertas lógicas equivalentes y en una FPGA del orden de cientos de miles hasta millones de ellas.

Aparte de las diferencias en densidad entre ambos tipos de dispositivos, la diferencia fundamental entre las FPGAs y los CPLDs es su arquitectura. La arquitectura de los CPLDs es más rígida y consiste en una o más sumas de productos programables cuyos resultados van a parar a un número reducido de biestables síncronos (también denominados flip-flops). La arquitectura de las FPGAs, por otro lado, se basa en un gran número de pequeños bloques utilizados para reproducir sencillas operaciones lógicas, que cuentan a su vez con biestables síncronos. La enorme libertad disponible en la interconexión de dichos bloques confiere a las FPGAs una gran flexibilidad.

Otra diferencia importante entre FPGAs y CPLDs es que en la mayoría de las FPGAs se pueden encontrar funciones de alto nivel (como sumadores y multiplicadores) embebidas en la propia matriz de interconexiones, así como bloques de memoria.

FPGA vs ASICs

Las FPGAs se utilizan en aplicaciones similares a los ASICs pero tienen una serie de inconvenientes así como de ventajas respecto a estos últimos:

Inconvenientes:

  • Son más lentas.
  • Consumen mayor potencia.
  • No pueden realizar sistemas excesivamente complejos.

Ventajas:

  • Son reprogramables.
  • Los costes de desarrollo y adquisición son mucho menores.
  • El tiempo de diseño y manufacturación es menor.

Historia

Las FPGA son el resultado de la convergencia de dos tecnologías diferentes, los dispositivos lógicos programables (PLDs Programmable Logic Devices) y los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC [Application-Specific Integrated Circuit]). La historia de los PLDs comenzó con los primeros dispositivos PROM (Programmable Read-Only Memory) y se les añadió versatilidad con los PAL (Programmable Array Logic) que permitieron un mayor número de entradas y la inclusión de registros. Esos dispositivos han continuado creciendo en tamaño y potencia. Mientras, los ASIC siempre han sido potentes dispositivos, pero su uso ha requerido tradicionalmente una considerable inversión tanto de tiempo como de dinero. Intentos de reducir esta carga han provenido de la modularización de los elementos de los circuitos, como los ASIC basados en celdas, y de la estandarización de las máscaras, tal como Ferranti fue pionero con la ULA (Uncommitted Logic Array). El paso final era combinar las dos estrategias con un mecanismo de interconexión que pudiese programarse utilizando fusibles, antifusibles o celdas RAM y celdas ROM, como los innovadores dispositivos Xilinx de mediados de los 80. Los circuitos resultantes son similares en capacidad y aplicaciones a los PLDs más grandes, aunque hay diferencias puntuales que delatan antepasados diferentes. Además de en computación reconfigurable, las FPGAs se utilizan en controladores, codificadores/decodificadores y en el prototipado de circuitos VLSI y microprocesadores a medida.

El primer fabricante de estos dispositivos fue Xilinx [2] y los dispositivos de Xilinx se mantienen como uno de los más populares en compañías y grupos de investigación. Otros vendedores en este mercado son Atmel, Altera, AMD y Motorola.

Características

Una jerarquía de interconexiones programables permite a los bloques lógicos de un FPGA ser interconectados según la necesidad del diseñador del sistema, algo parecido a un breadboard (es una placa de uso genérico reutilizable o semi permanente) programable. Estos bloques lógicos e interconexiones pueden ser programados después del proceso de manufactura por el usuario/diseñador, así que el FPGA puede desempeñar cualquier función lógica necesaria.

Una tendencia reciente ha sido combinar los bloques lógicos e interconexiones de los FPGA con microprocesadores y periféricos relacionados para formar un «Sistema programable en un chip». Ejemplo de tales tecnologías híbridas pueden ser encontradas en los dispositivos Virtex-II PRO y Virtex-4 de Xilinx, los cuales incluyen uno o más procesadores PowerPC embebidos junto con la lógica del FPGA. El FPSLIC de Atmel es otro dispositivo similar, el cual usa un procesador AVR en combinación con la arquitectura lógica programable de Atmel. Otra alternativa es hacer uso de núcleos de procesadores implementados haciendo uso de la lógica del FPGA. Esos núcleos incluyen los procesadores MicroBlaze y PicoBlaze de Xlinx, Nios y Nios II de Altera, y los procesadores de código abierto LatticeMicro32 y LatticeMicro8.

Muchos FPGA modernos soportan la reconfiguración parcial del sistema, permitiendo que una parte del diseño sea reprogramada, mientras las demás partes siguen funcionando. Este es el principio de la idea de la «computación reconfigurable», o los «sistemas reconfigurables».

Puertas lógicas

  • 1982: 8192 puertas, Burroughs Advanced Systems Group
  • 1987: 9.000 puertas, Xilinx
  • 1992: 600.000, Naval Surface Warfare Department
  • Principios 2000s: Millones

Evolución de mercado

  • 1985: Primera FPGA comercial por Xilinx, XC2064
  • 1987: 14 milliones de dólares
  • 1993: más de 385 millones de dólares
  • 2005: 1,900 millones de dólares
  • 2010: alrededor de 2,750 millones de dólares
  • 2013: 5,400 millones de dólares
  • 2020: alrededor de 9,800 millones de dólares

Programación

En la FPGA no se realiza programación tal cual como se realiza en otros dispositivos como DSP, CPLD o microcontroladores. La FPGA tiene celdas que se configuran con una función específica ya sea como memoria (FLIP-FLOP tipo D), como multiplexor o con una función lógica tipo AND, OR, XOR. La labor del "programador" es describir el hardware que tendrá la FPGA. Por consiguiente, la tarea del "programador" es definir la función lógica que realizará cada uno de los CLB, seleccionar el modo de trabajo de cada IOB e interconectarlos.

El diseñador cuenta con la ayuda de entornos de desarrollo especializados en el diseño de sistemas a implementarse en un FPGA. Un diseño puede ser capturado ya sea como esquemático, o haciendo uso de un lenguaje de programación especial. Estos lenguajes de programación especiales son conocidos como HDL o Hardware Description Language (lenguajes de descripción de hardware). Los HDLs más utilizados son:

En un intento de reducir la complejidad y el tiempo de desarrollo en fases de prototipaje rápido, y para validar un diseño en HDL, existen varias propuestas y niveles de abstracción del diseño. Los niveles de abstracción superior son los funcionales y los niveles de abstracción inferior son los de diseño al nivel de componentes hardware básicos. Entre otras, National Instruments LabVIEW FPGA propone un acercamiento de programación gráfica de alto nivel.

Aplicaciones

Cualquier circuito de aplicación específica puede ser implementado en un FPGA, siempre y cuando esta disponga de los recursos necesarios. Las aplicaciones donde más comúnmente se utilizan los FPGA incluyen a los DSP (procesamiento digital de señales), radio definido por software, sistemas aeroespaciales y de defensa, prototipos de ASICs, sistemas de imágenes para medicina, sistemas de visión para computadoras, reconocimiento de voz, bioinformática, emulación de hardware de computadora, entre otras. Cabe notar que su uso en otras áreas es cada vez mayor, sobre todo en aquellas aplicaciones que requieren un alto grado de paralelismo.

Existe código fuente disponible (bajo licencia GNU GPL)[1]​ de sistemas como microprocesadores, microcontroladores, filtros, módulos de comunicaciones y memorias, entre otros. Estos códigos se llaman cores.

Tecnología de la memoria de programación

Las FPGAs también se pueden diferenciar por utilizar diferentes tecnologías de memoria:

  • Volátiles: Basadas en RAM. Su programación se pierde al quitar la alimentación. Requieren una memoria externa no volátil para configurarlas al arrancar (antes o durante el reset).
  • No Volátiles: Basadas en ROM. Hay de dos tipos, las reprogramables y las no reprogramables.
  1. Reprogramables: Basadas en EPROM o flash. Éstas se pueden borrar y volver a reprogramar aunque con un límite de unos 10.000 ciclos.
  2. No Reprogramables: Basadas en fusibles o antifusibles. Solo se pueden programar una vez, lo que las hace poco recomendables para trabajos en laboratorios.

Ejemplo de tarjeta de desarrollo que incorpora una FPGA:[2]​

Archivo:FPGA.JPG

Fabricantes

A principios del 2007, el mercado de las FPGA se ha colocado en un estado en el que hay dos grandes productores de FPGA de propósito general y un conjunto de otros competidores que ofrecen dispositivos con características específicas.

  • Xlinix es uno de los grandes líderes en la frabricación de FPGAs.
  • Altera es el otro gran gigante. Anunció un acuerdo con Intel en 2015 para desarrollar una plataforma de supercomputación con CPUs con FPGAs integradas.
  • Lattice Semiconductor sacó al mercado FPGAs con tecnología de 90nm. Es el líder en tecnología no volátil como FPGAs basadas en tecnología Flash y con productos de 90nm y 130nm. En 2014, Lattice semiconductor comenzó a ofrecer dispositivos programables basados en RAM combinados con memoria no volátil no reprogramable.
  • Actel (actualmente Microsemi) tiene FPGAs basadas en tecnología Flash reprogramable.
  • QuickLogic dispone de productos basados en antifusibles, programables una sola vez.
  • Atmel es uno de los fabricantes que produce dispositivos reconfigurables. Se enfocó en microcontroladores AVR con FPGA juntos en un mismo encapsulado.
  • Achronix Semiconductor desarrollan FPGAs muy rápidas.
  • MathStar Inc. ofrece FPGAs que ellos denominan FPOA (Field Programmable Object Arrays por sus siglas en inglés).
  • Tabula anunció en marzo de 2010 una nueva tecnología FPGA que utiliza la lógica de tiempo multiplexado y la interconexión de mayor potencial de ahorro para aplicaciones de alta densidad.

Véase también

Referencias

  1. ↑ opencores.org {{subst:en}}
  2. ↑ C. Quintáns, J.M. Lago, L.M. Menéndez y E. Mandado. “Plataforma hardware para el autoaprendizaje de las FPGA y sus aplicaciones”. Actas del VII Congreso de Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Electrónica. Madrid, 12-14 de julio, 2006. ISBN: 84-689-9590-8.

Enlaces externos

Recursos

Utilidades

  • Altium Designer - Utilidad de diseño de Altera, Xilinx, Actel, y otras familias FPGA/CPLD
  • Quartus - Utilidad de diseño para los dispositivos Altera
  • ISE - Utilidad de diseño para los dispositivos Xilinx
  • ispLEVER - Paquete de aplicaciones para los dispositivos Lattice
  • LogicSim - Herramienta de simulación FPGA
  • ModelSim - Simulador de diferentes lenguajes de programación hardware HDL/Verilog
  • Synplify - Herramienta de síntesis FPGA
  • Yosys - Herramienta libre para síntesis en FPGA
  • Arachne-pnr - Herramienta libre de emplazado y rutado para FPGAs de Lattice
  • Icestorm - Documentación y utilidad de configuración para FPGAs de Lattice. Junto a Yosys y Arachne-pnr forman un conjunto de herramientas libres para cerrar el ciclo de diseño completo, obteniendo el fichero de configuración (bitstream) a partir de código en Verilog
  • Icarus Verilog - Simulador libre para Verilog
  • Gtkwave - Visualizador libre de señales

Multimedia

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