Specializované mikroprocesory pro průmysl, vědu a výzkum - hradlová pole FPGA, Čína

Na rozdíl od univerzálních mikroprocesorů například pro běžné stolní počítače - mikroprocesory pro průmyslové stroje nebo například zkušební přístroje jsou více specializované podle účelu.

rozcestník procesor a integrovaný obvod, počítačový hardware a elektronika celkově
1 úvod 
2. základní struktura - tři část1 FPGA obvodů
3. historie, základní struktura a použití
4 . konfigurace FPGA obvodů a druhy řídících členů 
Ch. továrna tchajwanské společnosti TSMC v Drážďanech - studijní program rozvoje talentů na Tchaj-wanu
rozcestník Čína a Indie

 

 

rozcestník v zajetí počítačů, procesor a integrovaný obvod, počítačový hardware a elektronika celkově

V zajetí počítačů - Blog iDNES.cz

V zajetí počítačů II - 32 bitový procesor - Blog iDNES.cz

Ac3 V zajetí počítačů 3 (matematická logika a technika, logická hradla logické funkce ) - Blog iDNES.cz

Ac odkaz na rozcestník matematika a kybernetika  V zajetí počítačů, elektroniky a kybernetiky 4 - Blog iDNES.cz

"hardwarová šestka" t (příspěvek o počítačovém hardware) V zajetí počítačů 6 "h" - jak zprovoznit počítač technicky, telekomunikační úřad Brno - Blog iDNES.cz

"softwarová šestka" Jak se připojit k internetu 6 "s" - internetové účty, blogy a navigace, HTML - Blog iDNES.cz

továrna počítačových čipů v Drážďanech (v rámci příspěvku o Německo) Večer v Hamburku, rozcestník němčina a Německo - Blog iDNES.cz

Specializované mikroprocesory pro průmysl, vědu a výzkum - hradlová pole FPGA (tento příspěvek)

VUT Brno "osciloskop" Co se děje kolem elektřiny 4 - osciloskop a měřící přístroje, Tesla Brno a Metra Blansko - Blog iDNES.cz

počítače například vyráběla Zbrojovka Brno (odkaz na rozcestník Zbrojovka, Zetor, elektrotechnika a zemědělské stroje) Cesty elektrické energie 11 - rozvody a jištění v průmyslu (Zetor a Zbrojovka) - Blog iDNES.cz

Východní identita na základě cesty do Pekingu - studium počítačů na Thaj  wanu  - Blog iDNES.cz

1 úvod 

V některých případech jsou ovšem specializované mikroprocesory konstruována tak - aby bylo možno tento účel pozměnit a to bud přímo tzv. v terénu - nebo alespoň v poslední fázi výroby.

Z konstrukčního a technologického hlediska FPGA obvod je integrovaný obvod..

Snad ještě zmínka o předchozích generacích počítačů - z hlediska členění přístrojů od celků k jednotlivostem procesory předchozích generací bylo možno zařadit do kategorie "modul" - kdežto mikroprocesory jako FPGA obvody je možno považovat jak za modul - tak za součástku, druh integrovaného obvodu (+ přídavný řídící člen) .

2. základní struktura - tři část1 FPGA obvodů

Programovatelné specializované mikroprocesory svou strukturou tak trochu připomínají železniční stanici

2.1 programovatelná část - řídící člen (něco jako dispečing) - zpravidla se připojuje vně - třeba jako přídavná flash

2.2 programovatelná část - vlastní hradlové pole - FPGA obvody v užším smyslu (už součást mikroprocesoru) - také označení jako spínač - nebo přepínač - připomíná hradlo u železniční stanice

2.3 fixní část mikroprocesoru

3. historie, základní struktura a použití

PROGRAMOVÁNÍ V TERÉNU

První předchůdci FPGA byly programovatelné paměti PROM, které však nebyly příliš úsporné. Jejich postupným vylepšováním vyrobila první FPGA v roce 1984 firma Xilinx.

Programovatelné hradlové pole, programovatelné integrované obvody i jako mikroprocesory, antipojistky

Programovatelná hradlová pole (FPGA, anglicky Field Programmable Gate Array) je v elektronice typ logického integrovaného obvodu, který je vyroben tak, 
aby mohl být naprogramován až u zákazníka. 
"PROGRAMOVÁNÍ V TERÉNU"
Obsahuje pole programovatelných logických obvodů (PLD), logických bloků, umožňuje je navzájem propojit a tím vytvořit takřka libovolné číslicové zařízení (například mikroprocesor, řídící obvod síťové karty a podobně). Tím se odlišuje od zákaznických integrovaných obvodů (ASIC), jejichž funkce je dána již při výrobě.

Charakteristika
FPGA obvody dnes nacházejí uplatnění v široké škále aplikací díky své programovatelnosti, snadnému návrhu, flexibilitě, neustále klesajícím cenám a zvolna se snižující spotřebě energie vlastním čipem. Typické použití je v oblasti menších sérií navrhovaných zařízení, kdy se nevyplatí návrh zákaznického integrovaného obvodu a současně konvenční řešení systému s procesorem už není vhodné. Další aplikace můžeme nalézt například v oblasti prototypování složitějších zákaznických integrovaných obvodů. Velká programovatelná hradlová pole dnes umožňují i implementaci komplikovaných procesorů.

Kromě FPGA obvodů se lze běžně setkat i s tzv. CPLD obvody (Complex Programmable Logic Devices). CPLD použijeme spíše na návrh jednoduché propojovací logiky při integraci složitějších prvků (glue logic).

Existují také programovatelná analogová pole (FPAA).

4 . konfigurace FPGA obvodů a druhy řídících členů 

Technologie FPGA obvodů
Rozeznáváme dva základní typy FPGA podle uložení konfigurace: FPGA s volatilní a FPGA s nevolatilní konfigurací.

4. 1 FPGA s volatilní konfigurací ukládají konfigurační informace do paměťových buněk typu SRAM.

Výhody:

Snadná konfigurace a rekonfigurovatelnost i za běhu systému.
K výrobě FPGA s volatilní konfigurací je používán standardní technologický proces CMOS bez dodatečných kroků a proto jsou SRAM obvody vždy o jednu až dvě technologické generace napřed před ostatními FPGA.
Nevýhody:

Programovatelný obvod musí být po startu systému nakonfigurován – k tomu je obvykle potřeba externí paměť a jednoduchý řadič, to znamená větší potřebný prostor na desce s plošnými spoji a více součástek, dále konfigurace může trvat až stovky milisekund.
Je těžší zajistit zabezpečení intelektuálního vlastnictví, protože konfiguraci obvodu lze obvykle jednoduše vyčíst z konfigurační paměti.

4. 2 FPGA s nevolatilní konfigurací ukládá konfigurační bity typicky ve flash paměti, EEPROM, nebo tzv. antifuses (antipojistky).

Nevýhody: obtížnější změna konfigurace
Výhody: lepší zabezpečení intelektuálního vlastnictví, vyšší odolnost proti radiaci.
Vlastnosti jednotlivých technologií:

Antipojistky
antifuse je v nenaprogramovaném stavu rozpojená a programováním se propojí (opak pojistky) – vytvoří se rezistivní spojka. FPGA je konfigurovatelné pouze mimo cílovou aplikaci.
EEPROM/flash FPGA umožňují jak programování v aplikaci, tak před vlastním použitím.
Jazyky pro syntézu hradlových polí
V počátcích programovatelných obvodů se pro návrh používaly proprietární jazyky (např. ABEL) či kreslení schemat.

Hlavními jazyky pro programování obsahu hradlových polí jsou dnes VHDL a Verilog. Někteří výrobci nabízejí i proprietární jazyky a nástroje, jako např. AHDL od firmy Altera. Jednodušší návrhy bývá rovněž možné nakreslit pomocí grafických editorů.

Návrh obvodu popisujeme na RTL úrovni, jako sadu registrů propojených kombinační logikou realizující logické operace. Výhodou použití RTL úrovně je práce na vysokém stupni abstrakce – jeden řádek zdrojového kódu je v hardware reprezentován typicky desítkami/stovkami hradel, což zvyšuje produktivitu práce a zpřehledňuje vlastní návrh. RTL popis systému je posléze konvertován do konfiguračního souboru FPGA obvodu v několika krocích (syntéza, mapování, rozmístění a propojení, generování konfiguračního souboru).

Výrobci hradlových polí
Intel (dříve Altera)
Lattice semiconductor
Xilinx vlastněný AMD
Microsemi (dříve Actel) vlastněný firmou Microchip
Literatura
Šťastný Jakub: FPGA prakticky, BEN - technická literatura, 2011, ISBN 978-80-7300-261-9
Pinker Jiří, Poupa Martin: Číslicové systémy a jazyk VHDL, BEN - technická literatura, 2006, ISBN 80-7300-198-5
Král Jiří: Řešené příklady ve VHDL - Hradlová pole FPGA 

5. studijní program rozvoje talentů na Tchaj-wanu

STUDIUM V ZAHRANIČÍ NA TCHAJ-WANU - PROGRAM INKUBACE (či ROZVOJ) TALENTŮ v oblati POLOVODIČŮ

Možnost získat jedinečný vhled do špičkové výroby a výzkumu v polovodičovém průmyslu a rozvojem  dovedností pro  profesní kariéru? To je nabídka "Semiconductor Talent Incubation Program" na Tchaj-wanu. Sasko-tchajwanský program je společnou iniciativou Svobodného státu Sasko, Technické univerzity Drážďany a TSMC. Zahrnuje studijní program a praktický výcvik na Tchaj-wanu ve společnosti TSMC, která je světovým lídrem v polovodičovém sektoru.

Nabídka
Šestiměsíční program Semiconductor Talent Incubation Program kombinuje akademické školení v oblasti polovodičů s praktickým výcvikem v TSMC. Od března 2024 do června 2024 budete studovat na National Taiwan University (Taipei). Další univerzity přibudou v roce 2025. Program kurzu se skládá z polovodičových modulů TSMC (Device/Integration, Tool/Equipment Engineering, Intelligent Manufacturing). Podrobný seznam kurzů a popisy kurzů naleznete níže v části "Nabídka kurzů v roce 2024".

Po absolvování kurzu na National Taiwan University absolvujete od července do srpna dvouměsíční praktický výcvik v Newcomer Training Center & Fab v TSMC (Taichung). 

Vybraní kandidáti obdrží finanční prostředky ve výši 700,00 EUR měsíčně na své životní náklady na Tchaj-wanu, cestovní příspěvek ve výši 1.500,00 EUR kromě školného a programových poplatků. Ubytování bude zajištěno, ale účastníci si ho musí uhradit sami.

Kurzy nabízené NTU v roce 2024
Přístrojový/integrační modul
(6 ECTS) Polovodičová elektronika 
(6 ECTS) Technologie integrovaných obvodů 
(6 ECTS) Pevnost materiálů 
(4 ECTS) Praxe s TSMC
Volitelné: (6 ECTS) Kurz obecné čínštiny

Modul Inženýrství nástrojů/zařízení
(6 ECTS) Technologie integrovaných obvodů  
(6 ECTS) Elektronické obvody 
(6 ECTS) Digitální řídicí systém 
(4 ECTS) Praxe s TSMC
Volitelné: (6 ECTS) Kurz obecné čínštiny

Modul inteligentní výroby
(6 ECTS) Operační výzkum 
(6 ECTS) Umělá inteligence 
(6 ECTS) Analýza dat a strojové učení pomocí Pythonu 
(4 ECTS) Praxe s TSMC

Podmínka znalost angličtiny je na úrovni B2

Kurz čínštiny bude vyučován ve večerních hodinách a nebude kolidovat s žádným z výše uvedených kurzů. Vezměte prosím na vědomí, že jazykové kurzy budou probíhat dvakrát týdně po třech hodinách. Kromě toho budou účastníci před odjezdem pozváni na intenzivní kurz čínského jazyka a mezikulturní vzdělávací seminář o Tchaj-wanu, který nabídne SUD. Podrobnosti budou brzy oznámeny.

rozcestník Čína a Indie

Východní identita na základě cesty do Pekingu - studium počítačů na Thaj  wanu  - Blog iDNES.cz