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