EO_486

DIGITAL PROGRAMMABLE LOGIC 51 - ELETTRONICA OGGI 486 - MAGGIO 2020 Tecnologie di configurazione alternative Le funzioni dei blocchi logici e l’instradamento dell’interconnessione sono determinati tramite celle di configurazione, che possono essere considerate alla stregua di switch 0/1 (off/on). Queste celle sono utilizzate anche per configurare lo standard d’interfaccia GPIO, l’impedenza d’ingresso, la velocità di variazione dell’uscita, ecc. A seconda dell’FPGA, queste celle di configurazione possono essere implementate utilizzando una delle tre tecno- logie seguenti: • Antifusibile: queste celle di configurazione sono programmabili una sola volta (OTP), il che significa che una volta che il dispositivo è stato programmato non si può tornare indietro. Questi dispositivi tendo- no a essere limitati ad applicazioni spaziali e ad altre applicazioni che impongono elevati standard di sicu- rezza. Poiché i volumi sono limitati, hanno un prezzo elevato e risultano onerosi anche in termini di pro- gettazione. • Flash: come le celle di configurazione basate su antifusibile, anche quelle basate su flash sono non volatili. Diversamente delle celle antifusibile, le celle flash possono essere riprogrammate a seconda delle necessità. Le celle di configurazione flash sopporta- no le radiazioni, per cui sono idonee anche per ap- plicazioni spaziali (anche se con modifiche agli strati superiori di metallizzazione e ai contenitori). • SRAM: in questo caso, i dati di configurazione ven- gono memorizzati in una memoria esterna da cui ven- gono caricati a ogni attivazione dell’FPGA (o come raccomandato nel caso di scenari di configurazione dinamica). Gli FPGA con celle di configurazione basate su anti- fusibile o flash hanno il vantaggio di attivarsi imme- diatamente (instant-on) e di consumare poca energia. Queste tecnologie hanno però lo svantaggio di richie- dere ulteriori fasi di lavorazione, oltre al processo CMOS di base utilizzato per creare il resto del chip. Il vantaggio degli FPGA le cui celle di configurazione sono basate sulla tecnologia SRAM è che sono fab- bricati utilizzando lo stesso processo CMOS come il resto del chip. Inoltre offrono prestazioni più elevate perché sono in genere di una o due generazioni più avanti rispet- to alle tecnologie antifusibile e flash. Gli svantaggi principali delle celle di configurazione SRAM sono un consumo energetico superiore a quello delle loro controparti antifusibile e flash (a parità di nodo tec- nologico) e la sensibilità ai disturbi da evento singolo (SEU) causati dalle radiazioni. Per molto tempo, a causa di questa sensibilità, gli FPGA basati su SRAM sono stati considerati non ido- nei per applicazioni aerospaziali e spaziali. Ultima- mente, sono state impiegate delle speciali strategie mirate ad attenuare questo fenomeno, per cui in siste- mi come il rover Mars Curiosity oltre agli FPGA basati su flash sono presenti anche quelli basati su SRAM. FPGA: il vantaggio della flessibilità Gli FPGA sono utilizzati per diverse applicazioni: essi risultano particolarmente utili per implementare fun- zioni di interfacciamento intelligente, controllo moto- ri, accelerazione algoritmica e calcolo ad alte presta- zioni (HPC), elaborazione di immagini e video, visione artificiale, intelligenza artificiale (AI), apprendimento automatico (ML), apprendimento profondo (DL), ra- dar, beamforming, stazioni base e comunicazioni. Un esempio semplice è quello relativo all’implemen- tazione di un’interfaccia intelligente tra altri disposi- tivi che utilizzano standard di interfaccia o protocolli di comunicazione diversi. Si consideri un sistema esistente che contiene un processore applicativo (AP - Application Processor) collegato a un sensore della telecamera e a un dispo- sitivo di visualizzazione che utilizza interfacce legacy (Fig. 3a). Si supponga ora che chi ha creato il sistema desideri aggiornare il sensore della telecamera e il dispositi- vo di visualizzazione con una soluzione più moderna che risulti più leggera, meno costosa e che consumi meno energia. L’unico problema è che una o entram- be queste nuove periferiche potrebbero utilizzare un moderno standard di interfaccia che non è suppor- tato dal processore originale. Oppure, potrebbero supportare un protocollo di comunicazione comple- tamente diverso, come Mobile Industry Processor Interface (MIPI). In questo caso, l’utilizzo di un FPGA con la sua capacità di supportare più standard di I/O, abbinato ad alcuni soft core IP MIPI, metterà a dispo- sizione un percorso di aggiornamento veloce, econo- mico e privo di rischi (Fig. 3b). Fig. 3 – Un FPGA può essere utilizzato per fornire un’interfaccia intelligente tra altri dispositivi che utilizzano standard d’interfaccia o protocolli di comunicazione diversi, estendendo in tal modo la durata dei progetti esistenti basati su dispositivi legacy