Сьогодні на світовому ринку електронних технологій різноманіття запропонованих схематичних рішень ділиться на 3 основних типи: мікропроцесори, замовні великі інтегральні схеми (ЗБІС) і програмовані логічні інтегральні схеми (ПЛІС).
Економічна ефективність виробництва БІС визначається, виходячи з вартості £ виробництва однієї мікросхеми:
У формулі параметр Р1, як правило, змінюється незначно. Тому очевидно, що істотно знизити загальну вартість виробництва БІС можна або шляхом організації їх великосерійного (масового) виробництва, що призводить до збільшення N, або зниження витрат Р2 на проектування БІС за допомогою застосування ефективних САПР.
Процесори і мікросхеми пам'яті великого обсягу є стандартними пристроями, вони не виготовляються для конкретної системи за спеціальним замовленням і їхні функції залишаються постійними в різних системах. Тому стандартні БІС/ЗБІС мають досить низьку вартість, що визначається масовим виробництвом, а також лідирують за рівнем інтеграції та швидкодії.
За принципом програмування ПЛІС діляться на напівзамовні і безпосередньо програмовані користувачем.
Виробництво напівзамовних БІС (ASIC - Application Specific Integrated Circuits) розбивається на дві стадії: - на першій стадії проектується і випускається в масовій кількості кристалзаготовка - універсальний технічний засіб для реалізації найрізноманітніших пристроїв; - на другій стадії відбувається реалізація на даному кристалі функцій конкретного пристрою, шляхом виконання додаткових зв'язків напиленням додаткових шарів на вже готову заготовку за індивідуальним рисунком міжз'єднань.
Таким чином, за допомогою декількох додаткових масок універсальний кристал масового випуску програмується на виконання спеціалізованих функцій. Така технологія виробництва обходиться набагато дешевше, ніж виготовлення повністю замовних БІС.
У загальному випадку блок термів (кон'юнкцій) є матрицею логічних елементів І, а блок
диз'юнкцій - матрицею логічних елементів АБО. Тому послідовне з'єднання таких матриць
дозволяє реалізувати логічну функцію довільного виду. Отримання конкретних логічних функцій
припускає виконання конкретних з'єднань в матрицях елементів І та АБО.
Таким чином, міняючи з'єднання елементів в матрицях І та АБО, можна настроювати
властивості пристрою.
Сучасний рівень розробки цифрових пристроїв передбачає широке використання програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС). Проектування пристроїв високої складності на ПЛІС виконується тільки за допомогою спеціалізованих систем автоматизованого проектування (САПР). При цьому структурна схема основних етапів проектування, зображена на рис., перетворюється до алгоритму автоматизованого проектування ПЛІС, наведеному на рисунку.
На концептуальному рівні проектування визначаються функції пристрою, безлічі вхідних і вихідних сигналів, можливості розбиття проекту на частини. Цей рівень проектування, практично, не пов'язаний з автоматизацією і його реалізація цілком покладається на розробника. Результати концептуального синтезу вводяться в САПР, в якій виконується компіляція проекту - синтез пристрою в базисі бібліотеки моделей. Компіляція розбивається на ряд послідовних етапів: формування бази даних проекту, контроль з'єднань, логічна мінімізація проекту і т.д. Результатом компіляції є файл, який містить конфігураційну інформацію для заданої ПЛІС. Скомпільований проект вимагає ретельної перевірки, тому за етапом синтезу йде етап аналізу за допомогою моделювання та теоретичної верифікації. Моделювання здійснюється на декількох рівнях, що характеризуються різним ступенем відображення властивостей реального об'єкта. Так, за допомогою функціонального моделювання можна перевірити правильність логічної структури пристрою. Часове моделювання дозволяє проводити тестування роботи пристрою з урахуванням затримок сигналів у компонентах без урахування остаточної топології трасування. В результаті моделювання можуть виявитися помилки, які вимагають виправлень, що надає процесу проектування ітеративний характер з поверненнями до попередніх етапів і введення в проект потрібних змін.
В даний час ПЛІС заповнюють п’ять крупних сегментів ринку :
• замовні інтегральні схеми. Сучасні ПЛІС використовуються для створення пристроїв такого рівня, який до цього могли забезпечити тільки замовні мікросхеми;
• системи цифрової обробки сигналів. Високошвидкісна цифрова обробка сигналів традиційно здійснювалася за допомогою спеціально розроблених мікропроцесорів, так званих цифрових сигнальних процесорів (ЦСП) або digital signal processors (DSP). Проте сучасні ПЛІС містять вбудовані помножувачі, схеми арифметичного перенесення і великий обсяг оперативної пам'яті усередині кристала. Все це в поєднанні з високим ступенем паралелізму ПЛІС забезпечує їх перевагу над найшвидшими сигнальними процесорами в 500 і більше разів;
• системи на основі вбудованих мікроконтролерів. Нескладні задачі управління звичайно виконуються вбудованими процесорами спеціального призначення, які називаються мікроконтролерами. Ці недорогі пристрої містять вбудовану програму, пам'ять команд, таймери, інтерфейси вводу/виводу, що розташовані поряд з ядром на одному кристалі. Найпростіші ПЛІС можна використовувати для реалізації програмного мікропроцесорного ядра з необхідними функціями вводу/виводу. В результаті ПЛІС стають все більш привабливими пристроями для реалізації функцій мікроконтролерів;
• мікросхеми, що забезпечують фізичний рівень передачі даних. ПЛІС вже давно використовуються як зв'язуюча логіка, що виконує функцію інтерфейсу між мікросхемами, які реалізують фізичний рівень передачі даних, і вищими рівнями мережних протоколів. Той факт, що сучасні ПЛІС можуть містити велику кількість високошвидкісних передавачів, означає, що мережні і комунікаційні функції можуть бути реалізовані в одному пристрої;
• системи з архітектурою, що перебудовується, або reconfigurable computing (RC). Можна застосовувати «апаратне прискорення» програмних алгоритмів, використовуючи такі властивості ПЛІС, як паралелізм та можливість перенастроювання. В даний час різні компанії зайняті створенням величезних перенастроюваних обчислювальних машин на основі ПЛІС. Такі системи можна використовувати для виконання широкого спектру задач — від моделювання апаратури до криптографічного аналізу або створення нових ліків.
Для програмування необхідний механізм, що дозволяє конфігурувати (програмувати) підготовлений кремнієвий кристал.
На рис. 4.1 наведено приклад простої функції, що програмується, з двома входами (a та b) та одним виходом. На входах присутні інвертори (операція НІ), а отже, кожен вхід може бути поданий або в прямій, або в інвертованій формі.
********************
Якщо розглядати перспективи і тенденції в частині використання ПЛІС як компонентної бази для майбутніх застосувань, зокрема, в обчислювальних системах, то тут можна виділити два основних напрямки як в частині використання ПЛІС в обчислювальних системах, так і в частині розвитку архітектури і функціональних можливостей самих ПЛІС.
Прогнозується, що в майбутні 5-10 років будуть створені суперкомп'ютери екзафлопсной продуктивності і почнеться розгортання робіт по створення суперкомп'ютерів зетта- і йотта-масштабу.
При цьому виділяються два напрямки розвитку суперкомп'ютерів: еволюційний та інноваційний. При еволюційному розвитку відбуватиметься поступове поліпшення існуючих суперкомп'ютерів на так званих легких і важких суперскалярні процесорних ядрах. Причому поліпшення друге доступніше і популярно і грунтується на застосуванні графічних і ін. Сопроцессоров і прискорювачів на ПЛІС, що дозволить досить швидко створити суперкомп'ютери нехай і з нерегулярної, але хоча б з піковою екзафлопсной продуктивністю на вузькому колі задач
Таким чином, найбільш перспективними на найближчий час сферами застосування ПЛІС і напрямками їх розвитку є:
- системи цифрової обробки сигналів (ЦОС), що визначається оптимальними для ЦГЗ ресурсами, наявністю у вигляді апаратних модулів умножителей на кристалі;
- системи паралельної обробки даних, різного родупотужні паралельні обчислювачі, в яких застосовується структура «процесор (сигнальний процесор) + ПЛІС», де ПЛІС виконує основний обсяг нескладних операцій, а процесор служить апаратної основою для реалізації складних алгоритмів верхнього рівня - постобработки, управління, моніторингу, інтерфейсних функцій і ін .;
- інформаційні та керуючі системи (ІКС) для створення на підприємствах АСУ ТП з виконанням критичних за надійності і безпеки функцій;
- системи інформаційної підтримки прийняття рішень (в тому числі в реальному часу) користувачами різної кваліфікації для різних сфер промисловості, науки, управління;
- розподілені бортові обчислювальні системи (БВС) для управління космічними апаратами з комплексом наукової апаратури, стійкі до окремих збоїв, призначені для космічних апаратів або авіаційних носіїв, наприклад, з комплексом дистанційного гіперспектральних моніторингу Землі;
- традиційні напрямки використання ПЛІС в різних галузях і сферах застосування: телекомунікації, промислова електроніка, складна побутова техніка; різні вбудовані системи; обчислювальні вузли з перспективною архітектурою: процесори, прискорювачі обчислень на базі ПЛІС та ін .;
- комбіновані системи або пристрої-чіпи для підвищення ефективності
-Інтернет-сфери (Інтернет-сервісів, хмарних обчислень, eBay, Facebook та ін.), Де виконується відносно невеликий набір додатків, які обслуговують велику кількістькористувачів;
- ефективні і відмовостійкі суперкомп'ютери з високою продуктивністю на широке коло завдань, надвисоким рівнем розпаралелювання; перспективні суперкомп'ютери (в тому числі графові суперкомп'ютери) з новими архітектурноструктурнимі підходами до організації обчислювального процесу, до їх побудови з використанням ПЛІС;
- Реконфігуровані обчислювальні системи для вирішення задач обробкивеликих масивів