Les FPGA (Field-Programmable Gate Arrays ou "réseaux logiques programmables")

Résumé du document

Dans la course aux performances, la complexité toujours croissante des systèmes a mené à des degrés d'intégration très élevés. La logique programmable est née du besoin simultané d'intégration et d'optimisation des coûts de développement et d'industrialisation. Elle permet, en outre, de réduire les temps de mise sur le marché des produits et de gérer à moindre coût les évolutions d'un système.
Au milieu des années 80 sont apparus les FPGAs. Les FPGA (Field-Programmable Gate Arrays ou "réseaux logiques programmables") sont des composants des circuits intégrés à très haut niveau d'intégration entièrement re-configurables ce qui permet de les reprogrammer à volonté afin d'accélérer notablement certaines phases de calculs.

De l'utilisation de densités toujours plus grandes en matière de semi-conducteur sont apparus de nouveaux modes et langages de description comme Verilog puis VHDL aujourd'hui complètement démocratisé et incontournable dans le développement de FPGAs, ainsi que des nouvelles méthodes d'approche des problèmes.
Si le langage de description VHDL supporte un certain niveau d'abstraction, le résultat final après compilation consiste en une réalisation physique exploitant l'architecture interne du composant.

Nous allons étudier d'abord son architecture, puis son application dans le domaine industriel.

Extraits

[...] Elle ne tient pas compte des capacités de liaison dues au routage entre les différentes cellules. - L'optimisation, la projection et le placement/routage : l'optimisation gère les problèmes de la sortie des signaux par la duplication des fonctions logiques de la sortie insuffisante, afin de multiplier les sorties. Les signaux inutilisés sont retirés, les expressions booléennes sont simplifiées. La phase de projection dépend du circuit utilisé, les équations utilisées sont transformées, regroupées en de nouvelles équations ayant un nombre d'arguments inférieur ou égal au nombre de paramètres du bloc logique correspondant à la famille de circuit utilisée. [...]

[...] La carte contient: Power Supplies and FPGA Configuration: cette carte est alimentée par la tension de 5V dont 1.5 V pour le FPGA. Les données de configuration peuvent provenir du PROM interne d'instantané de plateforme, du stockage interne de CompactFlash, de USB ou de l'interface gauche parallèle. Multi-Gigabit Transceivers: connecteurs de SATA, émetteurs-récepteurs, équipés par une source d'horloge, peuvent être utilisés par l'utilisateur. System Ram: soutient les modules protégés et non amortis de mémoire d'une capacité de 2 gigaoctets ou de moins. [...]

[...] De plus, il est possible de connecter directement certaines entrées d'un CLB aux sorties d'un autre. Les longues lignes : ce sont de longs segments métallisés parcourant toute la longueur et la largeur du composant, elles permettent éventuellement de transmettre avec un minimum de retard les signaux entre les différents éléments dans le but d'assurer un synchronisme aussi parfait que possible. De plus, ces longues lignes permettent d'éviter la multiplicité des points d'interconnexion. Figure : Le routage Avant la programmation après la programmation transistors par point de switch) Les différents types de FPGA Il y a 4 principales catégories disponibles commercialement: Tableau symétrique. [...]

[...] La couche dite 'circuit configurable' est constituée d'une matrice de blocs logiques configurables CLBs (configurable logic block) permettant de réaliser des fonctions combinatoires et des fonctions séquentielles. Tout autour de ces blocs logiques configurables, nous trouvons des blocs entrées/sorties IOBs (in out block) dont le rôle est de gérer les entrées- sorties réalisant l'interface avec les modules extérieurs (cf. figure). La programmation du circuit FPGA appelé aussi LCA (logic cells arrays) consistera par le biais de l'application d'un potentiel adéquat sur la grille de certains transistors à effet de champ à interconnecter les éléments des CLBs et des IOBs afin de réaliser les fonctions souhaitées et d'assurer la propagation des signaux. [...]

[...] La donnée peut être mémorisée sur un front montant ou descendant de l'horloge (CLK). Un mode dit de " verrouillage " exploite une entrée S/R qui peut être programmée soit en mode SET, mise à 1 de la bascule, soit en Reset, mise à zéro de la bascule. Ces deux entrées coexistent avec une autre entrée appelée le global Set/Reset. Cette entrée initialise le circuit FPGA à chaque mise sous tension, à chaque configuration, en commandant toutes les bascules au même instant soit à soit à Elle agit également lors d'un niveau actif sur le fil RESET lequel peut être connecté à n'importe quelle entrée du circuit FPGA. [...]