Про ASIC-и, FPGA-сики и ProASIC-и... ч.2
Запись опубликовал Николай III
20 614 просмотра
Итак продолжим ...
Как ранее было обещано, остановлюсь подробнее на уникальных в своем роде FPGA-представителях небольшой корпорации "Actel", которая насчитывает не более тысячи сотрудников по всему миру. Номенклатура ПЛИС, выпускаемых корпорацией "Actel", весьма широка и разнообразна: от "классических" FPGA в лице семейств ProASIC, ProASICPLUS, ProASIC3 до систем на кристалле (SoC), в лице семейств Fusion, SmartFusion и SmartFusion2. Линейка чипов семейства Fusion представляют собой нечто уникальное на сегодняшний день в области микроэлектроники - это объединение на одном кристалле внушительного блока ПЛИС, блока конфигурируемой аналоговой обработки, блоков ОЗУ, Flash-ПЗУ и даже встроенного CortexM3-контроллера с архитектурой ARM7 (присутствует в SmartFusion) !!! Таким образом на базе SmartFusion можно получить недорогое одночиповое и почти универсальное решение для построения широкого спектра управляющих, вычислительно-измерительных или коммутационных систем при вполне доступной стоимости в диапазоне от 20 до 50 у.е. Также стоит обратить внимание, что корпорация "Actel" единственная, кто выпускает уникальные серии радиационно-стойких ПЛИС, востребованных в аэро-космической отрасли и военно-промышленном комплексе.
В отличие от всех других производителей FPGA-чипов, которые используют технологию SRAM (статического ОЗУ) конфигурирования чипа, "Actel" использует Flash-технологию для непосредственного хранения информации о конфигурации внутри элементарной ячейки FPGA. Отсюда вытекают основные преимущества FPGA-чипов производства "Actel" перед другими производителями: отсутствие необходимости переноса конфигурационной информации из внешнего энергонезависимого ППЗУ в коммутационную матрицу на основе статического ОЗУ; отсутствие бросков тока потребления при включении устройства, наблюдаемым при загрузке FPGA-чипов SRAM-технологии; отсутствие задержки при включении устройства, связанной с загрузкой конфигурации. Ну и самое главное преимущество FPGA от "Actel" - это повышенная надежность изделий данного производителя. FLASH-ячейка конфигурации в отличии от SRAM-ячейки на несколько порядков устойчивее к сбоям и рискам изменения конфигурации, вызванными, к примеру, влиянием электромагнитных помех. На рисунках ниже изображены схемно и как фрагмент топологии, ячейки конфигурационной матрицы, выполненные по SRAM-технологии и по FLASH-технологии.
Поскольку в элементарной ячейке памяти FLASH-типа используется всего 1 транзистор с плавающим затвором, то размеры ячейки уменьшаются и площадь, занятая такой ячейкой на кристалле, приблизительно в 7 раз меньше площади, занимаемой SRAM-ячейкой. Как следствие этого, снижается суммарный ток потребления кристалла и растет быстродействие таких микросхем. Технология FLASH-ПЛИС позволяет изготавливать микросхемы с рекордно низкими уровнями потребления в статическом режиме. На приведенных рисунках хорошо видны энергетические преимущества FPGA-чипов, изготовленных по FLASH-технологии перед аналогами, выполненными на SRAM-технологии.
Еще одно очень важное преимущество в использовании FLASH-технологии конфигурирования FPGA состоит в том, что в данном случае становится невозможно скопировать битовый поток конфигурационной информации, идущий в момент загрузки конфигурации от внешнего ППЗУ к FPGA. Для защиты интеллектуальной собственности проектов, в случае использования FPGA выполненных по SRAM-технологии, разработчикам приходится прибегать к различным схемно-программным ухищрениям. К примеру: типа установки дополнительных контроллеров или CPLD, шифрующих битовый поток данных либо подключать резервный источник питания для FPGA, обеспечивающий питание конфигурационной памяти в режиме микропотребления.
Техпроцесс изготовления сегодняшних FPGA (как и других устройств микроэлектроники) достиг уже 20-нм норм. А в ближайшей перспективе гигант микроэлектроники "Intel" собирается выпускать на своих заводах FPGA-чипы от "Altera" с нормами текхпроцесса 14 нм. Трудно себе даже представить масштабы прогресса микроэлектороники за прошедшие три десятка лет: первые микросхемы, выпущенные в 1979 году все тем же Intel, были разработаны на базе техпроцесса 3 мкм. Т.е. размеры элементарных структур микросхем уменьшились за это время более чем в 150 раз !!! Это позволяет сегодня размещать на кристаллах топовых семейств FPGA до десятка миллиардов транзисторов. Для сравнения: у 6-ти ядерного процессора Intel Sandy Bridge E (6C) насчитывается чуть более 2 млрд. транзисторов на кристалле. Согласно закону Мура, количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается через каждые два года. Но сегодняшние технологии уже позволиили почти приблизиться к физическим пределам миниатюризации электронных схем. Еще совсем недавно уровень интеграции микросхем описывался понятиями БИС(большие интегральные схемы) и СБИС(сверхбольшие интегральные схемы), что соответствует сотням тысяч и нескольким миллионам логических вентилей на кристалле (вентиль реализуется на 4-ех эквивалентных транзисторах). Сейчас на некоторых чипах уже начитываются сотни миллионов вентилей на кристалле.
Мда... Так вот, вернемся к нашим баранам, эээ ... ASIC-ам.
Если основных представителей СБИС - таких как CPU и ПЛИС можно отнести к стандартному и программируемому пользователем типам, то на противоположном «полюсе» технологии СБИС располагаются ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), т.е. разрабатываемые только для выполнения конкретных задач пользователя - заказные микросхемы. Это, как правило, крупносерийные устройства типа "система на кристалле", заказываемые производителями электроники для удешевления своих изделий. Непосредственное серийное производство ASIC-чипов обходится намного дешевле, чем производство FPGA-чипов - в силу отсутствия дорогостоящей SRAM-конфигурационной памяти или в случае FPGA от "Actel" - более дешовой Flash-памяти. Но процесс подготовки производства нового ASIC-чипа несоразмерно дороже и длительнее, чем в случае разработки нового семейства FPGA. С точки зрения конечного пользователя, ASIC-чипы в отличии от FPGA, не нуждаются в загрузке конфигурационной информации и следовательно отсутствует возможность скопировать интеллектуальную собственность проекта внутри микросхемы ASIC. Также как и FPGA, микросхемы ASIC могут иметь встроенные блоки быстродействующей памяти. ASIC-микросхемам не грозит частичный сбой конфигурации, как в случае с FPGA, изготовленных по SRAM-технологии, так как связи межсоединений внутри ASIC-микросхемы непосредственные и неупраляемые. Но за все эти преимущества приходится платить длительными сроками разработки и внушительными бюджетами подготовки производства. Применение микросхем ASIC становится экономически оправданным в случае достаточно большого тиража продукции, так как финансово-трудовые издержки, затраченные на разработку и отладку проекта заказчика очень масштабны. Поскольку требуется очень тщательная верификация проектов, то и сроки отладки проектов могут быть намного больше, чем при отладке проектов для FPGA. Еще один недостаток (пожалуй, самый серьезный...) микросхем ASIC связан с тем, что они не могут быть переконфигурированы. Поэтому любая модернизация изделия, содержащего на борту ASIC-микросхемы, сопряжена со значительными трудностями.
Все СБИС (включая CPU, ПЛИС и ASIC) имеют структуру слоистого коржевого торта. Эти "коржики" изготавливаются при помощи фотошаблонов (или масок). В современных техпроцессах при производстве СБИС может применяться до полусотни масок, определяющих базовые структуры, слои металлизации и изоляции. Самые нижние базовые слои содержат минимальные конструктивные элементы структуры - транзисторы. Следующие слои содержат наборы металлических проводников, определяющих топологию соединений для формирования базовых логических блоков (вентили, триггеры, сумматоры) и слои изоляции. А далее весь этот "тортик" обмазывается кремом ... ;) финишно коммутируется на самых верхних уровнях для достижения конечной требуемой функциональности. Ниже на правом рисунке в разрезе оранжевым цветом показаны участки медных соединительных проводников.
Процесс изготовления масок-фотошаблонов очень дорогой и длительный: Например, для техпроцесса 45 нм стоимость комплекта масок может достигать миллиона долларов и выше, а суммарный срок разработки и подготовки производства ASIC-чипа может составлять более года.
Различают ASIC-микросхемы полностью заказные (Full Custom) и полузаказные (Semi-Custom). Первые разрабатываются с нуля, т.е. начиная с разработки базовых транзисторных слоев. Вторые разрабатываются на основе базовых логических блоков и требуют только изготовления необходимых слоев металлизации и изоляции. При изготовлении Full Custom ASIC-микросхем разработчик имеет полную свободу действий и схемотехнических решений. В разультате на выходе могут быть получены наилучшие технические характеристики (быстродействие, энергоэффективность) и наилучшая степень использования кристалла. Полузаказные ASIC-микросхемы, в свою очередь изготавливаются на:основе вентильных матриц либо набора стандартных ячеек. Полузаказные ASIC на основе стандартных ячеек требуют изготовления полного комплекта фотошаблонов, но используют элементы стандартных библиотек схемных решений. Таким образом упрощается и удешевляется процесс изготовления базового слоя (базовый кристалл), что значительно сказывается на общей картине подготовки технологического процесса. По сравнению с Full Custom ASIC, эти полузаказные СБИС имеют менее выдающиеся технические характеристики, но позволяют вдвое уменьшить сроки разработки. При технологии полузаказных ASIC на основе вентильных матриц используются готовые стандратные схемные полуфабрикаты, называемые базовыми кристаллами, которые дополняются слоями межсоединений. В даном случае требуется изготовить гораздо меньшее количество фотошаблонов. Результирующие технические характеристи такого чипа получаются еще дальше от оптимума, но сроки разработки могут быть сокращены в трое-четверо. На сегодняшний день полузаказные ASIC-микросхемы эволюционировали в отдельный подвид сруктурированных ASIC, которые могут включать в свою структуру функционально завершенные блоки, как то: ядра процессоров, различные контроллеры или модули памяти. В этом сегменте есть весьма интересное решение, разработанное корпорацией "eASIC" - новое поколение структурированных ASIC-чипов под названием Nextreme. По заявлениям корпорации "eASIC", структурированные ASIC Nextreme позволяют сократить срок разработки до 1 месяца при отсутствии ограничения на минимальное количество выпускаемых изделий, имея при этом FPGA-подобную архитектуру ! Но о них я пожалуй расскажу отдельно другим разом, а то и так уже "многа букафф" ;)
Некоторые корпорации, специализирующиеся на выпуске ПЛИС, также выпускают полузаказные ASIC, на основе свох базовых матричных кристаллов - например, серия HardCopy от "Altera" позиционируется как более дешевое решение в проектах, использующих FPGA-кристаллы топового семейства Stratix (II - V). К слову, HardCopy могут использоваться как прямая замена данных FPGA-чипов от "Altera", так как они полностью повторяют архитектуру соответствующих FPGA-чипов и совместимы по расположению выводов. Если сравнивать технические характеристики полузаказных ASIC и FPGA на примере тех же HardCopy и их FPGA-прототипов, то тут улучшение основных показателей может достигать до 50%. В большей степени это обусловлено непосредственными связями внутри кристалла и межсоединений, так как уменьшаются длины участков соединений и уменьшаются задержки распространения сигналов. Следовательно увеличивается быстродействие и уменьшается энергопотребление ASIC-чипов
Подведем итоги:
1. FPGA-чипы:
+ являются универсальным схемотехническим решением и могут быть легко и быстро адаптированы под выполнение практически любой задачи или алгоритма
- уступают по основным техническим характеристикам полузаказным и тем более полностью заказным ASIC-ам. Относительно дороги чипы топовых серий
2. ASIC-чипы:
+ хороши только для строго конкретных задач, под которые они и изготовлены, обладая при этом наилучшими показателями в сравнении с другими возможными решениями. Наименьшее энергопотребление и наибольшее быстродействие. Низкая себестоимость.готовых чипов.
- астрономически дороги на этапе подготовки производства и могут себя быстро окупить только при масштабных тиражах. Длительный процесс подготовки производства. Заказываются только большими партиями (десятки тысяч штук)
3. Применительно к майнингу, конечно же ASIC-и весьма заманчивы, но на мое IMHO - как-то это все очень сомнительно и маловероятно... Full Custom ASIC-микросхемы могут себе позволить немногие производители электроники. Так что, в данном контексте могут всерьез рассматриваться разве что полузаказные ASIC-чипы типа HardCopy от Altera. Но, опять же, смотря с какими тиражами работать.
Ну вот вроде бы и все, чем хотелось поделиться. Надеюсь что информация будет многим полезна ...
Литература:
13 Комментариев
Рекомендуемые комментарии
Для публикации сообщений создайте учётную запись или авторизуйтесь
Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий
Создать учетную запись
Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!
Регистрация нового пользователяВойти
Уже есть аккаунт? Войти в систему.
Войти