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FPGA 1 Définition FPGA : Field Programmable Gate Array En français : Composant,

FPGA 1 Définition FPGA : Field Programmable Gate Array En français : Composant, constitué d’un ensemble de ressources logiques élémentaires configurables pouvant être mises en relation par un réseau d’interconnexions également configurable circuit intégré prédiffusé programmable 2 Historique IXème av JC Les chinois comptent avec un boulier ! 1640 Blaise Pascal, invente une machine mécanique à additionner et soustraire : la Pascaline 1875 Sir J.W. Swan invente le tube à incandescence 1940 Utilisation des premières PLL (principe étudié en 1932 par Bellescize) 1946 ENIAC 1er calculateur électronique (18 000 tubes, tient dans un hall de 10*17m) Von Neumann présente le concept de programme enregistré 1948 Bardeen, Brattain et Shockley (Bells Labs) inventent le transistor bipolaire 1er ordinateur le SSEC d’IBM 1950 1er circuit reconfigurable « the fuse configurable diode matrix » Harris Semiconductor 1958 Jack Kibly invente le circuit intégrée, brevet Texas Fairchild dépose un brevet sur la fabrication des CI par procédé Planar 1962 Famille TTL 3 Historique 1968 Famille MOS Robert Noyce et Gordon Moore créer une startup : intel 1er PLA « read only associative memory ROAM » IBM 1969 Neil Amstrong marche sur la Lune 1970 Introduction du terme PAL Texas Instrument 1ère ROM, Harris Semiconductor 1971 intel, 1er UV-PROM (effaçable par UV) 1972 Intel, 1er processeur : 4004 1973 André Truong et Francis Grenelle mettent au point et commercialisent le 1er micro-ordinateur du monde, le Micral, made in France ! 1975 Un certain Bill Gates fonde une petite société d’informatique : Microsoft 1978 1ère famille PAL commerciale, MMI 1980 Premiers microprocesseurs 32 bits chez intel et Motorola 1981 IBM lance le PC 4 Historique 1983 1er GAL effaçable électriquement, Lattice 1984 Apple lance le Macintosh 1984 Introduction du FPGA par XILINX : le XC2000 (de 600 à 1500 portes) création de la société ALTERA Technologie CMOS UV-EPROM 1985 mise sur le marché du 1er FPGA XILINX 1992 1er FPGA Altera : le Flex 8000 (15 000 portes max) 1993 Technologie EEPROM 2001 Lancement du Virtex II Xilinx (jusqu’à 10 millions de portes) 2005 FPGA avec des capacités supérieures à 50 millions de portes fonctionnant à des fréquences surpassant les 500 MHz 5 Marché des FPGA REVENUS NETS DE XILINX ET ALTERA 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 ANNEE REVENUS NETS EN $ XILINX ALTERA 6 Marché des FPGA 0 5 10 15 20 25 30 35 40 % 1998 1999 2000 ANNEE PARTS DE MARCHE DES FABRICANTS DE FPGA Xilinx Altera Lattice Other Actel 7 Marché des FPGA PARTS DE MARCHE DES FABRICANTS DE FPGA POUR 2000 Altera 34% Xilinx 38% Lattice 14% Other 8% Actel 6% 8 Évolution de la technologie Taille relative : 1994 0.6 µ trois couches de métal 100% 1995 0.5 µ trois couches de métal 78% 1996 0.35 µ quatre couches de métal 32% 1998 0.25 µ cinq couches de métal 19% 1999 0.18 µ six couches de métal 12% Évolution de la technologie Évolution de la technologie 2004 : techno cuivre 0.09 µm à 12 couches de métal (200 000 portes/mm²) Technologie : Année : 2002 : techno cuivre 0.13 µm à 8 couches de métal 9 Évolution des prix 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1995 1996 1997 1998 1999 2000 INDICE PRIX PAR ELEMENT LOGIQUE (Source : Altera) Le prix par élément logique diminue de 40 % par an 10 Évolutions Prix (de l’élément logique) - 46% par an Densité (logique) + 55% par an Vitesse (fréquence système) + 35% par an 11 Évolutions D’après Xilinx, en 2005 les plus gros FPGA auront • des capacités de 50 millions de portes • des complexités de 2 billions de transistors • utilisant des technologies à 70 nm avec 12 couches de métallisations (cuivre) • avec des cœurs de microprocesseurs câblés cadencés à 1GHz 12 Taxonomie des CI (HARD) PLD ASIC ASIC Circuits sur mesure Circuits précaractérisés Circuits prédiffusés Circuits configurables SEMI-CUSTOM CUSTOM FPGA CPLD PAL Sea of gate Gate array Standard cell Full Custom ASIC : Application Specific Integrated Circuit FPGA : Field Programmable Gate Array CPLD : Complex Programmable Logic Device PAL : Programmable Array Logic GAL : Generic Array Logic = PAL SRAM : Static Random Access Memory Antifuse SRAM « Circuit Intégré Spécialisé » Définition ::dont la conception est fondée sur l'utilisation de blocs prédéfinis ou préconstruits. 13 CPLD PAL PAL PAL PAL MATRICE D’INTERCONNECTIONS E/S E/S Les CPLDs regroupent plusieurs PALs interconnectés par un réseau de connexions programmables. Les CPLDs sont les prémisses des premiers FPGAs. Ces circuits ne sont plus utilisés aujourd’hui car remplacés par les FPGAs. 14 FPGA ASIC Circuits sur mesure Circuits précaractérisés Circuits prédiffusés Circuits configurables SEMI-CUSTOM CUSTOM FPGA CPLD PAL Sea of gate Gate array Standart cell Full Custom Antifuse SRAM A SUIVRE !!! FPGA : Field Programmable Gate Array 15 Comparaison ASIC CARACTERISTIQUES FPGA GATE ARRAY STANDARD CELL FULL CUSTOM DENSITE FAIBLE MOYENNE MOYENNE GRANDE FLEXIBILITE GRANDE PETITE MOYENNE GRANDE ANALOGIQUE NON NON OUI OUI PERFORMANCE FAIBLE MOYENNE BONNE TRES BONNE TEMPS DE CONCEPTION TRES PETIT MOYEN MOYEN GRAND COUT DE CONCEPTION TRES PETIT MOYEN MOYEN TRES GRAND UTILISATION DES OUTILS SIMPLE COMPLEXE COMPLEXE TRES COMPLEXE VOLUME DE PRODUCTION PETIT MOYEN GRAND GRAND 16 Capacités comparées Nombre de portes (log) Nombre de portes (log) année année Moyenne d’utilisation Moyenne d’utilisation 100M 10M 1M 100k 10k 1k 1989 1997 2001 Capacité max ASICCapacité max FPGA 80% des design fonctionnent aujourd’hui à moins de 200MHZ 17 Les FPGA sont au cœurs des systèmes la logique de la colle. Un circuit logique simple qui est utilisé pour connecter des circuits logiques complexes ensemble 18 Temps de mise en œuvre TEMPS DE MISE EN OEUVRE COMPARES 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ASIC FPGA APPRENTISSAGE SAISIE COMPILATION SIMULATION FABRICATION 19 Contextes d’utilisations en grandes séries ASIC FPGA Volume Temps Conception prototypage Pré-série Production Fin de vie À-coup de production 20 Les ASIC AVANTAGES • hautes intégrations • hautes performances (vitesse, low-power) • coûts faibles pour de gros volumes de production • personnalisation • sécurité industrielle INCONVENIENTS • prix du 1er exemplaire • pas d’erreur possible • non-flexible • time-to-market élevé • fabrication réservée aux spécialistes (fondeur) 21 Les FPGA AVANTAGES • possibilité de prototypage • time-to-market faible • adaptabilité aux futurs évolutions grâce à la reconfiguration • flexibilité INCONVENIENTS • intégration limité par les ressources de routage • performances • prix à l’unité élevé pour de grosses productions 22 Conclusion Le choix entre FPGA ou ASIC, se fait en fonction du cahier des charges de l’application : • temps de mise sur le marché et durée de vie courte FPGA • très petit nombre de circuits FPGA • optimisation des performances ASIC • grande série ASIC 23 FPGA et conjoncture économique mondiale D’après une interview du directeur de Xilinx dans la revue électronique internationale Les FPGA sont les rares produits d’électronique qui profite de la crise économique actuelle dans le domaine des technologies de pointes ceci pour plusieurs raisons : • diminution des volumes de production • diminution de la durée de vies des produits • possibilités techniques des FPGAs largement suffisantes pour la plus part des applications « en 2006, il y aura un circuit logique programmable dans chaque appareil numérique …. » 24 FPGA et conjoncture économique mondiale 25 III. ARCHITECTURE CONCEPTION & 26 Les différentes familles de circuits logiques programmables 1) Quelques définitions • EEPROM ou E2PROM (Electrical Erasable Programmable Read- Only Memory) :Mémoire programmable à lecture seule, effaçable électriquement. • EPLD (Erasable Programmable Logic Device):Circuits logiques reprogrammables. • FPGA (Field Programmable Gate Array):Réseau de portes programmables • GAL (Generic Array Logic):Circuits logiques PAL reprogrammables à technologie CMOS. • ISP (In System Programmable):Circuit que l’on peut programmer (et donc effacer) même lorsqu’il est en place sur l’application. • PAL (Programmable Array Logic):Circuits logiques programmables dans • lesquels seules les fonctions ET sont programmables, les fonctions OU ne le sont pas. • PLD (Programmable Logic Device):Famille des circuits programmables qui comprend les PAL,GAL,EPLD et FPGA. 27 2)Les différentes familles de PLD PLD ASIC ASIC Circuits sur mesure Circuits précaractérisés Circuits prédiffusés Circuits configurables SEMI-CUSTOM CUSTOM FPGA CPLD PAL Sea of gate Gate array Standard cell Full Custom ASIC : Application Specific Integrated Circuit FPGA : Field Programmable Gate Array CPLD : Complex Programmable Logic Device PAL : Programmable Array Logic GAL : Generic Array Logic = PAL SRAM : Static Random Access Memory Antifuse SRAM 28 Les différentes familles de PLD (suite) TYPE Nombre de portes intégrées Matrice ET Matrice OU Effaçable PROM 2 000 à 500 000 Fixe Programmable Non PAL 10 à 100 Programmable Fixe Non GAL 10 à 100 Programmable Fixe Electriquement EPLD 100 à 3000 Programmable Fixe Aux U-V Electriquement FPGA 3000 à 6.000.000 Programmable Programmable Electriquement Non 29 d) LES FPGA (field programmable gate arrays) L'architecture, retenue par Xilinx, se présente sous forme de deux couches : • une couche appelée circuit configurable, • une couche réseau mémoire SRAM. 30 LES FPGA • La couche dite 'circuit configurable' uploads/Marketing/ chapiii-fpgacircuits-logiques-programmables.pdf