Между транзистором и Ардуиной: планирование семинаров по электронике для школьников в Киеве и Новосибирске

… внутри FPGA по сути находится конструктор из тысяч логических элементов наподобие элементов в K155ЛА3, но в FPGA их можно соединять не руками с помощью проводов, а меняя содержимое специальной памяти, биты которое соединены с мультиплексорами, которые меняют логические функции ячеек FPGA и соединения между ними:

В последние 25 лет дизайн чаще всего пишется на языке Verilog (в Европе и у военных – VHDL), после чего специальная программа (logic synthesis) превращает дизайн в граф из проводов и логических примитивов, другая программа (static timing analysis) сообщает дизайнеру, вписывается ли он в бюджет скорости, а третья программа (place-and-route) раскладывает этот дизайн по площадке микросхемы.

Когда дизайн проходит все этапы: кодирование на верилоге, отладка, верификация, синтез, static timing analysis, floorplanning, place-n-route, parasitics extraction и т.д. – получается файл под названием GDSII, который отправляют на фабрику, и фабрика выпекает микросхемы. Самые известные фабрики этого типа принадлежат компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Company или TSMC.

https://geektimes.ru/post/264234/

Я участвую в конференциях DAC c 1996 года и замечаю, когда те или иные темы становятся модными. Текущая мода — повышенный интерес к тематике ПЛИС / FPGA. Причем эта тематика популярна в этом году не только на DAC, но и среди нетехнических СМИ — в связи с покупкой Интелом компании по разработке FPGA под названием Altera. За $16.7 миллиардов долларов!

Когда в марте по интернету пошли слухи о сделке Intel-Altera, многие журналисты просто не поняли, чем занимается компания, за которую Интел решил уплатить такие бешенные деньги. Один домыслил, что Альтера якобы «главный конкурент интела по процессорам» (при том, что альтеровские FPGA — это вообще не процессоры, хотя процессор может стоять рядом с reconfigurable gates), другой — что Альтера якобы «производитель телекоммуникационного оборудования» (никакого телекоммуникационного оборудования Альтера не производит), третий — что Альтера якобы «контрактный производитель микросхем» аки TSMC (при том, что у Альтеры вообще нет своих фабрик).

Что такое ПЛИС / FPGA я на пальцах объяснил в другом посте на Хабре — Как начать разрабатывать железо, используя ПЛИС — пошаговая инструкция. Но повторим эту информацию снова:

В самом простом варианте FPGA состоит из матрицы однородных ячеек, в функцию каждой из которых можно поменять с помощью мультиплексоров, подсоединенных к битам конфигурационной памяти. Одна ячейка может стать гейтом AND с четырьмя вводами и одним выводом, другая — однобитным регистром и т.д. Загружаем в конфигурационную память последовательность битов из памяти — и в FPGA образуется заданная электронная схема, которая может быть процессором, контроллером дисплея и т.д.

ПЛИС-ы / FPGA — не процессоры, «программируя» ПЛИС (заполняя конфигурационную память ПЛИС-а) вы создаете электронную схему (хардвер), в то время как при программировании процессора (фиксированного хардвера) вы подсовываете ему цепочку написанных в память последовательных инструкций программы (софтвер).

Внизу — схема простейшего блока FPGA, в который входит look-up table (LUT) и flip-flop. Правда в этой схеме не показаны мультиплексоры, которые меняют функцию ячейки, и соединения с конфигурационной памятью.



Диаграммы, иллюстрирующие структуру FPGA:



И еще одна:

https://geektimes.ru/post/264234/

Но как это возможно — для студента сделать микросхему? Ведь начальная плата за производство коммерческой партии микросхем на фабрике типа тайваньской TSMC (сноска: Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), как правило, превышает миллион долларов.

Ответом является технология, которая называется FPGA (аббревиатура от англ. field programmable gate array, “программируемые пользователем вентильные матрицы”). Это специальные микросхемы, которые представляют собой матрицы из ячеек, логические функции и соединения между которыми можно многократно менять после изготовления. Они гораздо дороже и медленнее, чем обычные специализированные микросхемы, но для них нет “начального взноса” на производство. Сейчас на рынке есть студенческие платы с FPGA стоимостью менее $100, поэтому студенту и университетам для экспериментирования больше не нужно выкладывать крупные суммы. Более того, он может неограниченно менять формируемую в FPGA электронную схему, просто меняя ее конфигурационную память через кабель, подсоединенный к компьютеру. По гибкости это похоже на программирование, хотя суть другая — в программировании меняется последовательность инструкций процессора (программа, software), а в FPGA можно изменить сам процессор (аппаратура, hardware).