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FPGA
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Presentación

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FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array) es un dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad puede ser configurada 'in situ' mediante un lenguaje de descripción especializado. La lógica programable puede reproducir desde funciones tan sencillas como las llevadas a cabo por una puerta lógica o un sistema combinacional hasta complejos sistemas en un chip.

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Las FPGAs se utilizan en aplicaciones similares a los ASICs sin embargo son más lentas, tienen un mayor consumo de potencia y no pueden abarcar sistemas tan complejos como ellos. A pesar de esto, las FPGAs tienen las ventajas de ser reprogramables (lo que añade una enorme flexibilidad al flujo de diseño), sus costes de desarrollo y adquisición son mucho menores para pequeñas cantidades de dispositivos y el tiempo de desarrollo es también menor.

Ciertos fabricantes cuentan con FPGAs que sólo se pueden programar una vez, por lo que sus ventajas e inconvenientes se encuentran a medio camino entre los ASICs y las FPGAs reprogramables.

Históricamente las FPGA surgen como una evolución de los conceptos desarrollados en las PAL y los CPLD.

Historia: FPGA vs CPLD

Las FPGAs fueron inventadas en el año 1984 por Ross Freeman y Bernard Vonderschmitt, co-fundadores de Xilinx, y surgen como una evolución de los CPLDs. Tanto los CPLDs como las FPGAs contienen un gran número de elementos lógicos programables. Si medimos la densidad de los elementos lógicos programables en puertas lógicas equivalentes (número de puertas NAND equivalentes que podríamos programar en un dispositivo) podríamos decir que en un CPLD hallaríamos del orden de decenas de miles de puertas lógicas equivalentes y en una FPGA del orden de cientos de miles hasta millones de ellas.

Aparte de las diferencias en densidad entre ambos tipos de dispositivos, la diferencia fundamental entre las FPGAs y los CPLDs es su arquitectura. La arquitectura de los CPLDs es más rígida y consiste en una o más sumas de productos programables cuyos resultados van a parar a un número reducido de biestables síncronos (también denominados flip-flops). La arquitectura de las FPGAs, por otro lado, se basa en un gran número de pequeños bloques utilizados para reproducir sencillas operaciones lógicas, que cuentan a su vez con biestables síncronos. La enorme libertad disponible en la interconexión de dichos bloques confiere a las FPGAs una gran flexibilidad.

Otra diferencia importante entre FPGAs y CPLDs es que en la mayoría de las FPGAs se pueden encontrar funciones de alto nivel (como sumadores y multiplicadores) embebidas en la propia matriz de interconexiones, así como bloques de memoria.

Características

Una jerarquía de interconexiones programables permite a los bloques lógicos de un FPGA ser interconectados según la necesidad del diseñador del sistema, algo parecido a un breadboard (es una placa de uso genérico reutilizable o semi permanente) programable. Estos bloques lógicos e interconexiones pueden ser programados después del proceso de manufactura por el usuario/diseñador, así que el FPGA puede desempeñar cualquier función lógica necesaria.

Una tendencia reciente ha sido combinar los bloques lógicos e interconexiones de los FPGA con microprocesadores y periféricos relacionados para formar un «Sistema programable en un chip». Ejemplo de tales tecnologías híbridas pueden ser encontradas en los dispositivos Virtex-II PRO y Virtex-4 de Xilinx, los cuales incluyen uno o más procesadores PowerPC embebidos junto con la lógica del FPGA. El FPSLIC de Atmel es otro dispositivo similar, el cual usa un procesador AVR en combinación con la arquitectura lógica programable de Atmel. Otra alternativa es hacer uso de núcleos de procesadores implementados haciendo uso de la lógica del FPGA. Esos núcleos incluyen los procesadores MicroBlaze y PicoBlaze de Xlinx, Nios y Nios II de Altera, y los procesadores de código abierto LatticeMicro32 y LatticeMicro8.

Muchos FPGA modernos soportan la reconfiguración parcial del sistema, permitiendo que una parte del diseño sea reprogramada, mientras las demás partes siguen funcionando. Este es el principio de la idea de la «computación reconfigurable», o los «sistemas reconfigurables».

Programación

En la FPGA no se realiza programación tal cual como se realiza en otros dispositivos como DSP, CPLD o microcontroladores. La FPGA tiene celdas que se configuran con una función específica ya sea como memoria (FLIP-FLOP tipo D), como multiplexor o con una función lógica tipo AND, OR, XOR. La labor del "programador" es describir el hardware que tendrá la FPGA. Por consiguiente, la tarea del "programador" es definir la función lógica que realizará cada uno de los CLB, seleccionar el modo de trabajo de cada IOB e interconectarlos.

El diseñador cuenta con la ayuda de entornos de desarrollo especializados en el diseño de sistemas a implementarse en un FPGA. Un diseño puede ser capturado ya sea como esquemático, o haciendo uso de un lenguaje de programación especial. Estos lenguajes de programación especiales son conocidos como HDL o Hardware Description Language (lenguajes de descripción de hardware). Los HDLs más utilizados son:

  • VHDL
  • Verilog
  • ABEL

En un intento de reducir la complejidad y el tiempo de desarrollo en fases de prototipaje rápido, y para validar un diseño en HDL, existen varias propuestas y niveles de abstracción del diseño. Los niveles de abstracción superior son los funcionales y los niveles de abstracción inferior son los de diseño al nivel de componentes hardware básicos. Entre otras, National Instruments LabVIEW FPGA propone un acercamiento de programación gráfica de alto nivel.

Aplicaciones

Cualquier circuito de aplicación específica puede ser implementado en un FPGA, siempre y cuando esta disponga de los recursos necesarios. Las aplicaciones donde más comúnmente se utilizan los FPGA incluyen a los DSP (procesamiento digital de señales), radio definido por software, sistemas aeroespaciales y de defensa, prototipos de ASICs, sistemas de imágenes para medicina, sistemas de visión para computadoras, reconocimiento de voz, bioinformática, emulación de hardware de computadora, entre otras. Cabe notar que su uso en otras áreas es cada vez mayor, sobre todo en aquellas aplicaciones que requieren un alto grado de paralelismo.

Existe código fuente disponible (bajo licencia GNU GPL)1 de sistemas como microprocesadores, microcontroladores, filtros, módulos de comunicaciones y memorias, entre otros. Estos códigos se llaman cores.

Fabricantes

Desde principios de 2007, hay dos grandes productores de FPGA de propósito general, además de un conjunto de otros competidores quienes se diferencian por ofrecer dispositivos con características únicas.

  • Xilinx es uno de los dos grandes líderes en la fabricación de FPGA.
  • Altera es el otro gran líder.
  • Lattice Semiconductor lanzó al mercado dispositivos FPGA con tecnología de 90nm. Además, Lattice es un proveedor líder en tecnología no volátil, FPGA basadas en tecnología Flash, con productos de 90nm y 130nm.
  • Actel tiene FPGAs basados en tecnología Flash reprogrammable. También ofrece FPGAs que incluyen mezcladores de señales basados en Flash.
  • QuickLogic tiene productos basados en antifusibles (programables una sola vez).
  • Atmel es uno de los fabricantes cuyos productos son reconfigurables (el Xilinx XC62xx fue uno de estos, pero no están siendo fabricados actualmente). Ellos se enfocaron en proveer microcontroladores AVR con FPGAs, todo en el mismo encapsulado.
  • Achronix Semiconductor a través de tecnología de Intel de 22 nm, su catálogo incluye dispositivos FPGA de hasta 1.5 GHz

Fuentes y Enlaces de Interés

  • C. Quintáns, J.M. Lago, L.M. Menéndez y E. Mandado. “Plataforma hardware para el autoaprendizaje de las FPGA y sus aplicaciones”. Actas del VII Congreso de Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Electrónica. Madrid, 12-14 de julio, 2006. ISBN: 84-689-9590-8.
  • FPGA Database
  • FPGA design from scratch. Part 1 Inglés
  • OpenFPGA.org

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