A8 Advanced Digital Logic, FPGAs und HDL

Thema

FPGAs sind rekonfigurierbare integrierte Schaltkreise, die standardmäßig eine Vielzahl programmierbarer Logikblöcke enthalten – im Wesentlichen basierend auf derselben Booleschen Algebra, die auch das digitale Elektronikmodell beschreibt – sowie Speicherelemente und eingebettete Speicherblöcke, die alle programmierbar miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht die Implementierung nahezu jeder gewünschten digitalen Funktion in Hardware nach der Chipherstellung und die bedarfsgerechte Rekonfiguration. Der Entwurf dieser Schaltkreise wird mithilfe spezieller Hardwarebeschreibungssprachen beschrieben, die es erlauben, das gewünschte Schaltkreisverhalten textuell zu spezifizieren, bevor es auf dem Chip synthetisiert wird.

Eine zentrale Technik in leistungsstarken digitalen Systemen ist das Pipelining: die Aufteilung einer komplexen Operation in mehrere einfachere, sequenziell ausgeführte Schritte. Obwohl jede einzelne Operation mehr Zyklen benötigt – was zu einer höheren Latenz führt –, kann das System als Ganzes in jedem Taktzyklus eine neue Operation beginnen und so die Anzahl der pro Zeiteinheit ausgeführten Operationen maximieren. Die verschiedenen verfügbaren Speichertechnologien stellen unterschiedliche Kompromisse zwischen Geschwindigkeit, Dichte, Kosten und Datenerhalt bei Stromausfall dar.

Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), die für eine einzelne, spezifische Funktion entwickelt und gefertigt werden, sind hinsichtlich Fläche und Stromverbrauch deutlich effizienter als ein für dieselbe Funktion programmiertes FPGA. Allerdings erfordern ihre Entwicklung und Fertigung wesentlich höhere Anfangsinvestitionen, die sich erst bei der Massenproduktion lohnen.

Deshalb zeigt dieses Modul, das mit Logikblöcken beginnt, die nach der Chipfertigung rekonfiguriert werden können, abschließend, dass diese Flexibilität der Rekonfiguration einen Nachteil mit sich bringt, den ASICs nicht haben, und gleichzeitig einen Vorteil bietet, den ASICs nicht bieten: Die Wahl zwischen den beiden bedeutet, abzuwägen, ob die Produktionsmenge den Verzicht auf die Möglichkeit rechtfertigt, die Konfiguration nach der Chipfertigung zu ändern.

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