معرفی شرکت XILINX و خانواده FPGA های XILINX

واژه FPGA خلاصه شده field-programmable gate array  می باشد. این کلمه به معنی یک تراشه متشکل از آرایه هایی از Gate های منطقی برناپذیر است که با آن می توان مدارات منطقی پیچیده را پیاده سازی نمود. در ادامه به تاریخچه FPGA و انواع FPGA خانواده XILINX خواهیم پرداخت.

تاریخچه شرکت XILINX

راس فریمن با برنارد واندر اسمیت و جیمز V بارنت شرکت XILINX در سال ۱۹۸۴ در دره سیلیکون تاسیس گردید. این شرکت به عنوان مخترع و اولین تولین کننده FPGA شناخته می‌شود. XILINX در حال حاضر دارای دفاتر طراحی در سراسر دنیا است. از جمله این دفاتر در کشور های آمریکا، چین، استرالیا، هند و ایرلند می باشد. این شرکت در سال ۲۰۰۳ در رده چهارم به عنوان ۱۰۰ شرکت برتر دنیا برای کارکردن قرار گرفت.

هدف اولیه این بود که سعی کنند بجای طراحی IC با کارکرد مشخص، یک تراشه تولید کنند که همانند یک نوار خام بتوان طراحی داخلی آن را عوض کرد. اما در آن زمان این ایده بسیار بزرگ و رویایی بود. در حال حاضر XILINX در سبد محصولات خود طیف وسیعی از FPGA های قابل برنامه ریزی دارد که با کمک آنها می توان هر مدار منطقی پیچیده را در یک IC تحقق داد. علاوه بر آن در نسل های جدید می‌توان ترکیبی از مدارات آنالوگ و دیجیتال را در یک IC ترکیب و پیاده سازی نمود.هم اکنون راس فریمن به عنوان مخترع FPGA شناخته می شود.

در حال حاضر بیش از ۵۳% از کل بازار FPGA در دستان xilinx قرار دارد و نسبت به ۳ سال گذشته این شرکت ۳ درصد رشد داشته است. این در حالی است که رقیب اصلی Xilinx یعنی شرکت Altera در چند سال گذشته توسط غول دنیای پردازنده ها یعنی Intel خریداری شد تا Intel بتواند در بازار رقابتی FPGA ها سهمی داشته باشد.

در حال حاضر XILINX تنها تولید کننده FPGA با تکنولوژی ساخت ۱۶nm می باشد. تکنولوژی ساخت با نانومتر پایین تر به معنی تراشه های سریع تر  و کم مصرف تر است.

 

انواع FPGA

تولیدات چیپ های کلاسیک برنامه پذیر شرکت XILINX به دو شاخه CPLD و FPGA تقسیم می شوند.

CPLD:

خلاصه شده complex programmable logic device می‌باشد و ساده ترین چیپ های برنامه پذیر XILINX هستند. این دسته در مقایسه با FPGA ها، بسیار کوچکتر و ساده تر هستند. ولی تکنولوژی ساخت آن ها بر اساس فیوز ها است و باعث می‌شود نیاز به حافظه برای ذخیره سازی برنامه و زمان لود برنامه نباشد. درکل CPLD ها برای پیاده سازی مدارات کوچک منطقی مناسب هستند. بلوک دیاگرام یک CPLD مطابق شکل زیر می‌باشد. CPLD ها بسیار کم مصرف نیز هستند.

 

 

CPLD های XILINX در خانواده های زیر ساخته میشوند:

• سری XC9500XL
• سری CoolRunner-II
• سری XA CoolRunner-II

انواع FPGA:

دسته بندی اصلی برا ساس تکنولوژی ساخت انجام میگرد که در شکل زیر مشاهده میگردد

خانواده اسپارتان

اسپارتان ها جزو ارزان ترین FPGA های Xilinx بودند و ارزان ترین I/O نسبت به قیمت را دارا هستند. این سری در سه دسته Spartan-3, Spartan-6 و Spartan 7 تولید می شودند. سری خانواده Spartan 3  دیگر توسط Xilinx تولید نمی‌شوند سری اسپارتان ۶ هنوز تولید می شوند اما ادامه تولید این چیپ ها توسط xilinx در هاله ای از ابهام وجود دارد زیرا دیگر از نظر نرم افزاری پشتیبانی نمی‌شوند و نرم افزار های کد نویسی آن یعنی ISE عملا از سال ۲۰۱۴ دیگر بروز رسانی نشده است. در حال حاضر تنها چیپ با تکنولوژی ساخت ۴۵nm فقط خانواده Spartan 6 می باشد.

بعد از معرفی سری ۷ در ابتدا خبری از خانواده اسپارتان ها نبود و زایلینکس سری ارزان قیمت artix را به عنوان سری اقتصادی معرفی کرد ولی بعد از چند سال اعلام کرد که سری اسپاتان ها قرار است نسل ۷ داشته باشند و تقریبا یک سال پیش سری Spartan 7 وارد بازار شد. در ابتدا قرار بود اسپارتان ۷ پکیجی با ۱۴۴ پایه به صورت TQG داشته باشند که بتوان آن ها را در برد های دولایه به راحتی مونتاژ نمود اما متاسفانه بعد از تولید اسپارتان ۷، این پکیج از تولید خط خورد و اسپارتان ۷ دیگر پیج TQG ندارد.

در حال حاضر تنها خانواده FPGA های زایلنکس که دارای پکیج TQG هستند فقط Spartan 6 است که آن هم فقط دو مدل بسیار کوچک LX6 و LX9 هستند. شاید دلیل اصلی محبوبیت این خانواده در ایران همین موضوع باشد. چون می توان برای پکیج های TQG برد های دو لایه طراحی نمود. اما یکیج های دیگر تمام خانواده های xilinx به صورت BGA هستند که باید برد های چندلایه برای آن طراحی نمود.

خانواده ARTIX

خانواده Artix جزء سری های ارزان و اقتصادی زایلینکس هست و بهترین نسبت توان پردازشی به توان مصرفی داراست. هم چنین بالا ترین نسبت Bandwidth به قیمت را در بین همه خانواده های زایلینکس دارد. برای مثال در سایت Xilinx برای نمایش performance به watt، پروژه ۶۴ کاناله UltraSound  و پروژه رادیو نرم افزاری پورتابل را با این چیپ قرار داده اند. چیپ ARTIX فقط با تکنولوژی ۲۸nm ساخته می شود.

خانواده KINTEX

اگر درپی انتخاب FPGA هستید که  توان پردازشی بالا،  توان مصرفی کم و قیمت مناسب داشته باشد باید در خانواده KINTEX   جستجو کنیید. این چیپ ها در سه تکنولوژی ۲۸nm (سری ۷)، ۲۰nm (سری UltraScale) و  ۱۶nm (سری +UltraScale) تولید می شوند. برای مشاهده توانایی های این سری می توان مثال گیرنده مخابراتی ۳G,4G را در سایت XILINX مشاهده نمود.

خانواده VIRTEX

نهایت منابع، سرعت و Bandwidth در سری VIRTEX قرار دارد. این سری حد اکثر چیپ های زایلنکس است. این چیپ ها در سه تکنولوژی ۲۸nm (سری ۷)، ۲۰nm (سری UltraScale) و  ۱۶nm (سری +UltraScale) تولید می شوند. یکی از کاربرد های این خانواده در مدیریت و ساخت تجهیزات شبکه بسیار پر سرعت می باشد. مانند شبکه های ۱۰۰G. برای اطلاعات ساخت کارت ۱۰۰G به سایت XILINX مراجعه نمایید.

در مقالات آتی ساختار داخلی FPGA و نحوه کار کرد ان ها مورد بررسی قراردخواهند گرفت.

تکنولوژی ساخت

دسته بندی تکنولوژی های ساخت FPGA های XILINX در دو زمینه اندازه فیلم ساخت ویفر و ساخت IC های چند لایه می‌باشد.

FPGA ها در زمینه اندازه همان طور که قبلا صحبت شد دارای ۴ خانواده زیر میباشد:

1. ۴۵nm (سری ۶)
2. ۲۸nm (سری ۷)
3. ۲۰nm (سری UltraScale)
4. ۱۶nm (سری +UltraScale)

هر میزان که تکنولوژی ساخت دارای نانو متر پایین تری باشند سرعت آنها بالاتر و توان مصرفی آنها پایین تر است.

نکته مهم دیگر در FPGA بخشهایی هستند که به عنوان Primitive یا ASIC به  FPGA اضافه شده اند. FPGA های مدرن فقط شامل آرایه گیت های قابل برنامه ریزی نیستند بلکه بخش هایی از قبل طراحی شده و سخت افزار آماده به آن اضافه شده است. از جمله این بخش ها عبارتند از

• بلوک های حافظه
• واحد های محاسباتی DSP48
• Hi-Speed Transceiver و Ser/Des
• Codec H-265
• XADC
• Power PC
• off-chip Memory Controller و …

این بخش ها برای کمک به عملکرد های بهینه در FPGA ها ساخته شده اند و استفاده از آنها در پیاده سازی بسیار کارایی را بالا می‌برد. هر قدر نسل FPGA (سری ۷، سری Ultrascale , …) بالاتر باشد این ابزار ها بیشتر، متنوع تر و پیشرفته تر هستند.

۳D ICs

تکنولوژی ساخت ۳D IC  نیز برای رفع محدودیت های فضا ویفر و چیپ، و محدودیت های ساخت ابداع شده که در آن چند لایه سیلیکونی روی هم کوپل می‌شوند. و با اینکار بر محدودیت های ساخت غلبه میکندد. این دسته ها دارای منابع بسیار زیاد و پیشرفته تری هستند.

 

خانواده SoC و MPSoC ها

تمامی ابزار های پیاده سازی مانند میکرو کنترولر، پردازندهGPU ، DSP و FPGA نقاط قوت، ضعف و محدودیت هایی دارند. در حوزه FPGA به این معنی هست که انجام همه کارها با FPGA شدنی نیست یا صرفه افتصادی هزینه زمان ندارد. از این رو برای غلبه به این محدودیت ها بایستی این ابزار ها را بایکدیگر ترکیب نمود. با پیشرفت تکنولوژی این ترکیب را به داخل چیپ ها کشانده اند و دریک چیپ همه ابزار ها را ترکیب مینمایند.

واژه SoC به معنی System on Chip هست و اصطلاحا به ترکیب و تجمیع زیر سیستم هایی در یک چیپ گفته می‌شود که برای اجرا سیستم عامل لازم است. باید به این نکته دقت شود که FPGA معمولا برای کار کنترل و یا پردازش در سیستم ها بکار گرفته می‌شود و در اینجا SoC هایی که دارای زیر سیستم FPGA هستند به هدف ساخت یک سیستم عامل پردازشی – کنترلی ساخته می‌شوند.

در این بین XILINX هم محصولات جالب و کاربردی ارائه کرده است. که استفاده از آنها پیاده سازی ها را ساده تر و ارزانتر می نماید. همچینین پیاده سازی الگوریتم های adaptive (غیر ثابت) بسیار ساده تر و مقرون بصرفه شده است. خانواده SoC شرکت XILINX با نام ZYNQ ساخته شده و در چند کلاس ارائه می‌شود:

• ZYNQ 7000 (سری ۷) با FPGA از خانواده ARTIX
• ZYNQ 7000 (سری ۷) با FPGA از خانواده KINTEX
• ZYNQ های Ultrascale با FPGA های خانواده Ultrascale
• ZYNQ های Ultrascale+ با FPGA هی خانواده Ultrascale+

چیپ های ZYNQ 7000 دارای پردازنده های تک هسته ای و دوهسته ای ARM Cortex A9 هستند ولی فاقد پردازند گرافیکی هستند. اما در نمونه های Ultrascale و Ultrascale+  علاوه بر FPGA قسمت های زیر در این چیپ فرار داده شده است

• پردازنده ARM چهار هسته ای Cortex A53 با کلاک ۱٫۵GHz
• پردازنده دو هسته ای Cortex R5 برای انجام کارهای Real-time
• پردازنده گرافیکی MALI-400
• زیر سیستم Display Driver
• کنترل کننده حافظه های DDR4
• شبکه ۱G
• USB3
• کدک تصویر H.265
• کنترل کننده توان
• زیر سیستم رمز نگاری
• و انواع Peripheral ها مانند spi, uart, micro SD و …

بخش FPGA چیپ های ZYNQ بسیار متنوع است و از FPGA های کوچک ARTIX شروع و تا مدل های بالای KINTEX و VIRTEX یافت می‌شوند. از انجایی که تعداد کنترلر های استفاده شده در این سری بسیار زیاد است آنها را MPSoC می نامند. خانواده ZYNQ یکی از محبوب ترین خانواده های FPGA های XILINX است. و بسیاری از بردها و پروژه ها بر اساس ZYNQ ساخته می‌شوند. به علت مقبولیت و تولید زیاد این خانواده قیمت سری ZYNQ در مقایسه با خانواده های FPGA های مشابه قیمت پایین تری دارند.

در مقالات آتی سایت به معرفی این سری محبوب خواهیم پرداخت.

خانواده RFSoC

شرکت XILINX بعد از تولید MPSoC گام را فراتر نهاده و مدارات آنالوگ، تقویت کننده ها، میکسر، ADC و DAC پرسرعت را با MPSoC در یک چیپ ترکیب کرده است. چیپ های RFSoC علاوه بر پردازنده های مختلف و FPGA های بسیار قدرتمند Ultrascale+، مدارات انالوگ ADC و DAC چندین کاناله را نیز دارا هستند. این چیپ ها ساخت رادیو های نرم افزاری، رادارها پرقدرت و …. را در سایز های بسیار کوچک فراهم نموده است و  نیاز به pcb بزرگ و پیچیده را بسیار  کاهش داده است.

در RFSoC ها تا ۱۶ کانال ADC و DAC چند گیگا سمپل وجود دارد. اطلاعات بیشتر مدارات انالوگ و امکانات آنالوگ RFSoC در این اینک وجود دارد.

سری Versal

این سری به گفته XILINX دیگر یک‌ FPGA به حساب نمی آید، با اینکه بخش FPGA آن پیشرفته و بزرگ است اما در این چیپ، FPGA یک بخش نسبتا کوچک است. VERSAL مخصوص پردازش بخصوص هوش مصنوعی تولید شده است.

زایلنکس این چیپ را اولین ACAP صنعتی می‌خواند. که خلاصه شده  Adaptive Compute Acceleration Platform. بستر  انطباق پذیر  و شتابدهنده محاسباتی! زیر سیستم های مهم VERSAL عبارتند از:

• پردازنده دو هسته ای  Cortex A72
• پردازنده دو هسته ای cortex R5
• FPGA برای ساخت شتاب دهنده های انطباق پذیر
• هسته های متعدد برای پردازش هوش مصنوعی
• هسته های DSP
• امکانات ارتباطی بسیار پیشرفته مانند شبکه های ۲۰۰G
• Peripheral های مختلف و پرسرعت

دسته بندی از نظر قیمت و کارایی

تولیدات FPGA شرکت XILINX از نظر قیمت و کارایی در سه دسته تقسیم بندی می‌شوند:

• مقرون به صرفه Cost-optimized

در این دسته سه خانواده قرار دارند که شامل spartan, artix و ZYNQ 7000 است.

• میان رده Mid-Range

در این دسته خانواده KINTEX و ZYNQ 7000 قرار دارند

• دسته پر قدرت high-end

این دسته شامل VIRTEX و KINTEX های Ultrascale است.

چیپ های ZYNQ به علت تنوع بخش FPGA تقریبا در هر سه رده محصولاتی دارند.