تراشه ها ي منطقي برنامه پذ ير

2 Digital Devices 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 بخشي از CPLD

7 ساختار FPGA

8 Altera PLD Products [wikinvest.com], px-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)

11 Internet References FPGA/CPLD Device Guide: PLD FAQ: ASIC, FPGA, SOC … resources: Google Directory: rammable_Logic/FPGA/ Newsgourp:  comp.arch.fpga

12 FPLDها تفاوت FPLD ها : ساختار داخلي Logic Cell ها Programmability I/O Block ها ساختار اتصالات

13 تکنولوژيهاي برنامه ريزي FPLDها تکنولوژيهاي اصلي : SRAM: سوييچهاي قابل برنامه ريزي = ترانزيستورهاي کنترل شده توسط سلولهاي SRAM 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. از SRAM, Flash, Antifuse به طور گسترده 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 استفاده از تکنولوژي ساخت CMOS استاندارد برنامه ريزي مجدد سريع برنامه ريزي on-chip به دفعات نامحدود  prototyping در داخل سيکل طراحي کارخانه ي سازنده مي تواند همه ي مسيرها را با reprogram کردن FPGA تست کند  کاربر، آي سي کاملا تست شده را مي گيرد و نيازي به ايجاد الگوهاي تست و مدارهاي DFT ندارد.

19 SRAM اشکالات : مساحت ( اشکال اصلي ): 6 ترانزيستور براي هر سلول SRAM نياز به حافظه ي خارجي non-volatile ( داراي مدار حسگر power-on است براي initialization). سرعت : بيشتر از نظر دانسيته بهينه شده اند نه سرعت. امنيت کم طرح در برابر سرقت (intellectual property) توان مصرفي بالاي سلول هاي SRAM ( حتي وقتي که برنامة آن تغيير نمي کند ).

20 EPROM ولتاژ برنامه ريزي بالا  محبوس شدن الکترونها  Vdd نمي تواند ترانزيستور را روشن کند EEPROM (Flash): باز گرداندن الکترونها با ميدان الکتريکي ( ظرفيت کمتر از EPROM). 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. بسيار ارزانتر از byte-programmable EEPROM

21 EPROM مزايا : عدم نياز به حافظه ي خارجي. مساحت کمتر از SRAM اشکالات : مشکل تر بودن برنامه ريزي مجدد برنامه ريزي مجدد : تا چندصد بار ( بارهاي الکتريکي زير گيت جمع مي شوند ) مقاومت روشن ترانزيستور EPROM: زياد. نياز به چند مرحله ي ساخت علاوه 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 جريان برنامه ريزي بالا  عايق ONO را ذوب مي کند  اتصال دايم. به علت کوچکي، PLD هاي آنتي فيوز ظرفيتهاي بسيار بالايي دارند.

24 Antifuse مزايا : عدم نياز به حافظه ي خارجي. مساحت بسيارکم ( تقريبا هم اندازه با via ي سيمهاي فلزي ). قابليت اطمينان بسيار بالا (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 بالاي طرح در برابر سرقت. توان مصرفي بسيار کمتر. اشکالات : عدم امکان برنامه ريزي مجدد. برنامه ريزي آن نياز به مدار اضافي دارد ( بايد ولتاژ و جريان بالا ايجاد کند ).

25 جمع بندي تکنولوژيهاي برنامه ريزي Programming yield: The confidence for successful programming [Kuon07.b] Technology & Process Volatil e AreaReprogram -mability R (on state)  C (parasiti c) fF Manufacturin g Process Programming Yield SRAM MUX pass trans. YeslargeYes (In-circuit) ~ Standard CMOS 100% Falsh NomedYes (In-circuit) ~ Flash Process 100% Antifuse NosmallNo~50-100<1special 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, [Kuon07.b] I. Kuon, R. Tessier, “FPGA Architecture: Survey and Challenges,” Foundations and Trends in Electronic Design Automation, Vol. 2, No. 2 (2007) 135–