Программируемая логика Actel

Какие семейства ПЛИС производит корпорация Actel?

Рис. 1. Семейства ПЛИС Actel

Многообразие семейств ПЛИС Actel представлено на рисунке 1. Цвет рамки семейства ПЛИС показывает, какие максимально стойкие микросхемы доступны в семействе. Расшифровка уровней стойкости дана в условных обозначениях к рисунку. Существуют следующие исполнения микросхем:

ES: (Engineering Silicon) — прототип для работы при комнатной температуре;

PROTO: (прототип) — микросхемы, изготовленные по технологии радиационностойких, которые не тестировались на устойчивость к радиации. Прототипы стоят значительно меньше, чем полностью протестированные аналоги, и используются в наземных испытаниях;

C: (Commercial — коммерческий) — микросхемы, предназначенные для работы в температурном диапазоне: 0…70°С;

I: (Industrial — промышленный) — микросхемы для работы в температурном диапазоне: –40…80˚С;

A: (Automotive — автомобильный) — микросхемы для работы в температурном диапазоне –40…125°C;

M: (Military — военный) — микросхемы для работы в температурном диапазоне: –55…125°C;

B: (Класс B — с приемкой) — микросхемы для работы в температурном диапазоне: –55…125°C соответствуют стандарту MIL-STD-883 Class B (аналог отечественной 5 приемки);

E: (для космической промышленности) — микросхемы для работы в температурном диапазоне: –55…125°C изготавливаются в соответствии с требованиями Actel для микросхем, применяемых в космической промышленности — Actel Space-Level Flow (аналог отечественной приемки 9);

EV: (для особо тяжелых условий эксплуатации) — эти микросхемы, предназначенные для работы в температурном диапазоне: –55…125°C, проходят более жесткие предпродажные испытания и соответствуют требованиям стандарта MIL-PRF-38535 Class V.

Все семейства нерадиационностойких микросхем могут быть заказаны в дешевом коммерческом исполнении. Более подробно о методике испытаний микросхем Actel можно узнать на сайте компании [1] или в официальном представительстве в России и Украине по телефонам: 8 (800) 100-62-09; +7 (812) 740-62-09.

Семейства радиационностойких ПЛИС приведены в нижней части рисунка.

ПЛИС Actel делятся на две большие группы — однократно программируемые и многократно программируемые, позволяющие перепрограммировать их в системе. К перепрограммируемым (флэш) относятся пять семейств:

– ProASICPLUS — ПЛИС второго поколения с максимальной тактовой частотой до 350 МГц, доступные в четырех исполнениях от прототипов до класса B;

– ProASIC3 — ПЛИС третьего поколения, отличаются от ProASICPLUS улучшенной внутренней архитектурой и значительно меньшим потреблением;

– IGLOO — ПЛИС для систем с тактовой частотой до 250 МГц, где низкое потребление энергии является главным требованием;

– Fusion — первая аналогово-цифровая система на кристалле, которая содержит не только ПЛИС, но и свободно конфигурируемый блок аналоговой обработки;

– SmartFusion — следующая версия Fusion — содержит ПЛИС, аналогово-цифровой блок и процессор CortexM3, совместимый с архитектурой ARM7, с развитой периферией: Ethernet 10/100, I2C, UART, SPI и т.д.

К однократнопрограммируемым относятся семейства (Antifuse):

– eX — очень маленькие ПЛИС;

– MX — небольшие ПЛИС, способные работать от одного источника питания 5 В;

– SX — ПЛИС среднего объема;

– Axcelerator — быстрые ПЛИС большого объема.

Большинство семейств ПЛИС Actel имеют подсемейства, позволяющие разработчику выбрать микросхему, оптимальную по объему, потреблению и количеству доступных выводов.

К радиационностойким (RТ) семействам, рекомендованным для новых разработок, относятся три семейства ПЛИС (это версии нерадиационностойких ПЛИС, тестируемых в условиях радиации). RT-версия в основном схожа с нерадиационностойким прототипом, но может иметь некоторые отличия в функциональности, объеме и скорости. Так, например, RT-версия семейства Axcelerator имеет три подсемейства, в одном из которых (а именно, в RTAX-DSP) в программируемую матрицу внедрены аппаратные блоки умножения с накоплением, которые могут умножать числа разрядностью до 18 бит и накапливать результат до 40 бит. Эти блоки могут работать на частотах более 130 МГц. Полное число блоков умножения в RTAX-DSP варьируется от 64 до 120, таким образом, полное быстродействие системы, построенной на этой микросхеме, может превышать 15 тыс. MMACs (миллионов умножений с последующим накоплением результата, в секунду). Все RT-версии однократно программируемых микросхем имеют аппаратно троированные триггеры с мажоритарной схемой подавления сбоев. Но если в схему необходимо внести изменения, то преимущества A2F200M3F еще очевиднее, потому что в этом случае не придется «копаться» с паяльником в плате или резать дорожки — все изменения могут быть сделаны за счет смены конфигурации, загружаемой в ПЛИС. Эта схема определяет, какой уровень должен быть на выходе блока, и асинхронно устанавливает сбившийся триггер в правильное состояние (например: если два «запараллеленных» по входам триггера дают на выходе 1, а один — 0, то на выходе блока должна быть 1).

Как соотносятся цены на ПЛИС Actel с ценами других производителей?

В настоящее время микросхемы фирмы Actel используют в России в основном для работы в тяжелых радиационных условиях и в системах, требующих беспрецедентных уровней надежности. У большинства разработчиков гражданской аппаратуры сложилось мнение: «Микросхемы Actel — это не для меня». Однако по своим характеристикам и уровню цен они вполне могут подойти для медицинских и бытовых применений. Кроме того, использование ПЛИС Actel в подавляющем большинстве случаев ведет к значительному снижению электропотребления системы и росту надежности. Для примера: цена на микросхему AGLN020V5-QNG68 составляет 350 руб. При покупке единичных экземпляров микросхем семейства ProASIC3 они оцениваются примерно так же, как и микросхемы A3P030-VQ100 (390 руб). Эти цены ориентировочные и могут быть снижены при покупке партии микросхем. Хорошим примером того, что увеличение цены микросхемы может вести к снижению стоимости устройства, служит аналогово-цифровая ПЛИС семейства SmartFusion — A2F200M3F-FG256, которая стоит около 1200 руб. Цена этой микросхемы выше стоимости аналогичной классической ПЛИС, однако, если принять во внимание, что вместо установки на плату ПЛИС и микроконтроллеров, АЦП и ЦАП, операционных и измерительных усилителей достаточно поставить всего одну микросхему, применение которой сэкономит место на плате и упростит разводку, то это может окупить ее применение. Но если в схему необходимо внести изменения, то преимущества A2F200M3F еще очевиднее, потому что в этом случае не придется «копаться» с паяльником в плате или резать дорожки – все изменения могут быть сделаны за счет смены конфигурации, загружаемой в ПЛИС.

Почему микросхемы Actel часто используются в аппаратуре повышенной надежности?

ПЛИС Actel отличаются от ПЛИС других производителей по технологии производства. В отличие от большинства других производителей, которые при изготовлении больших многократно программируемых интегральных схем используют технологию SRAM (статического ОЗУ), Actel изготавливает многократно программируемые ПЛИС по флэш-технологии. Этo одна из главных причин повышенной надежности и других достоинств данных ПЛИС. Для производства однократно программируемых ПЛИС Actel использует технологию Antifuse (восстановление перемычек за счет перехода кремния из аморфного, слабопроводящего состояния в кристаллическое с высокой проводимостью). В отличие от технологии пережигания перемычек, технология Antifuse [2] дает гарантию, что однажды запрограммированная перемычка никогда не изменит свое состояние.

Каковы преимущества технологий ПЛИС Actel?

Основным отличием микросхем флэш и Antifuse ПЛИС от SRAM-ПЛИС является то, что конфигурация хранится непосредственно внутри элементарной ячейки ПЛИС, в КМОП-транзисторе с плавающим затвором или в перемычке. Отсюда и основные преимущества таких микросхем — нет необходимости переносить информацию о прошивке из внешнего энергонезависимого ПЗУ а, следовательно, нет потока данных при включении и нет задержки между подачей питания и переходом микросхем в рабочее состояние при загрузке конфигурации. ПЛИС Actel готовы к работе сразу после включения питания. Кроме того, полностью исключена возможность считывания прошивки сторонними разработчиками, например, в целях хищения интеллектуальной собственности.

Одной из неприятных особенностей SRAM-ПЛИС является бросок тока (current surge) при включении питания, который вызван тем, что SRAM-триггеры находятся в неопределенном состоянии, и требуется время и заряд для перехода их в стабильное состояние. По величине этот бросок тока часто более чем в десять раз превышает статическое потребление SRAM-ПЛИС. Эта неприятная особенность микросхем SRAM требует увеличения мощности источников питания и места, занимаемого ими на плате [3]. Поскольку в элементарную ячейку флэш-памяти входят всего два транзистора с объединенным затвором, площадь, занимаемая такой ячейкой на кристалле, примерно в 7 раз меньше площади, занимаемой SRAM-ячейкой. За счет этого ток потребления таких микросхем ниже.

Технология флэш-ПЛИС позволяет изготавливать микросхемы с рекордно низкими уровнями потребления в статическом режиме, так, например, микросхема AGLN010 с 86 логическими ячейками и 260 доступными триггерами в корпусе размером 3×3 мм потребляет менее 2 мкВт в статическом режиме. Поскольку фирма Actel производит флэш-ПЛИС на протяжении многих лет, и основные усилия разработчиков направлены на совершенствование технологии, то Actel добилaсь заметных успехов в изготовлении малопотребляющих ПЛИС. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить характеристики микросхем Actel с микросхемами, выполненными по флэш-технологии, других производителей (см. табл. 1).

Таблица 1. Сравнение потребляемой мощности ПЛИС, выполненных по флэш-технологии, разных производителей

Название микросхемы	Мощность потребления в статическом режиме, мкВт	Число логических ячеек	Макс. число триггеров	Максимальная частота системы, МГц	Напряжение питания ядра, В	ОЗУ, Кбит	Самый маленький корпус, мм	Число выводов общего назначения	Производитель
AGLN250	24	2048	6144	250	1,2/1,5	36	CS81 5×5	68	Actel
XC2C256	38	256	256	256	1,8	0	CP132 8х8	106	Xilinx
EPM240Z	45	240	240	152	1,8	0	BGA100 6×6	80	Altera

Почему микросхемы Actel обладают большей радиационной стойкостью, чем микросхемы многих других производителей?

Радиационностойкие микросхемы — это те микросхемы, которые не дают сбоев и отказов в условиях жесткого облучения как при загрузке конфигурации, так и при работе загруженной конфигурации. Отсутствие ошибок программирования при загрузке конфигурации ПЛИС Actel очевидным образом связано с отсутствием самой загрузки — данные о прошивке уже находятся в элементарных ячейках ПЛИС.

Отсутствие изменений конфигурации при работе в условиях жесткого облучения не менее важно, чем «чистая» загрузка этой конфигурации. Элементарная ячейка флэш, и тем более Antifuse, практически не чувствительна к облучению заряженными частицами и нейтронами высоких энергий. Никакая тяжелая заряженная частица или нейтрон не могут изменить конфигурацию ПЛИС Actel потому, что для перепрограммирования флэш- и Antifuse-ячеек требуется намного большая энергия, чем для изменения состояния SRAM-ячейки. Вот почему радиационная стойкость микросхем Actel на много порядков превосходит радиационную стойкость SRAM-ПЛИС. (С результатами тестирования микросхем различных производителей на радиационную стойкость можно ознакомиться в документе по адресу www.actel.com/documents/RadResultsIROCreport.pdf). У флэш-ПЛИС компании Actel не наблюдается изменений конфигурации и отказов, вызванных тиристорным эффектом, при уровнях облучения SEL > 96 МВ-см2/мг. Для получения близких значений надежности в микросхемах SRAM-ПЛИС необходимо использовать троирование всех регистров и постоянно регенерировать конфигурационные данные. Следовательно, ресурсы микросхем Actel идут в дело, а не на борьбу с радиацией. Например, если при тестировании на высоте 18 км у микросхем Actel не зарегистрированы сбои и отказы, то при тестировании микросхем, изготовленных по технологии SRAM, даже на уровне моря поток сбоев вполне заметен. Флэш-ПЛИС Actel могут работать при дозах радиации вплоть до 25 Крад, а если этого недостаточно, то можно использовать однократно программируемые микросхемы, выполненные по технологии Antifuse — семейство RTSX с радиационной стойкостью до 100 Крад и ПЛИС большого объема семейства RTAX с радиационной стойкостью до 300 Крад [4].

Режим Flash&Freeze. Что это такое?

Режим Flash&Freeze позволяет мгновенно (менее чем за 1 мкс) «выключать» и «включать» микросхему флэш-ПЛИС Actel без потери данных конфигурации и памяти, а также состояния всех регистров. Потребление микросхем Actel в режиме Flash&Freeze составляет единицы микроватт. Вход в режим может быть как асинхронным по уровню, задаваемому на специализированном выводе микросхемы, так и синхронизированным с внутренними процессами ПЛИС. В этом случае сигналом перехода в низкопотребляющее состояние служит смена уровня на входе управления режимом Flash&Freeze, однако сам переход осуществляется только после того, как внутренняя логика ПЛИС подтвердит его возможность. Выход из режима Flash&Freeze всегда происходит по снятию активного уровня на входе управления режимом. Некоторые семейства ПЛИС Actel не только сохраняют состояние внутренних регистров микросхемы в режиме Flash&Freeze, но и могут поддерживать заранее определенные уровни на выводах микросхем, как то: «ноль», «единица», «высокоимпедансное состояние» или «уровень, который был на выходе в момент перехода в режим Flash&Freeze».

Почему большие проекты, которые не помещаются в ПЛИС других производителей, часто удается поместить в микросхемы Actel с тем же количеством системных вентилей?

В отличие от большинства других многократно программируемых ПЛИС, где в элементарную ячейку входит комбинаторная часть и триггер, аналогичные микросхемы Actel имеют элементарную логическую ячейку, которая может быть сконфигурирована и как комбинаторная, и как триггерная, только за счет изменения структуры связей внутри ячейки. Такая организация позволяет использовать до 100% внутренних ресурсов в проекте, в то время как при альтернативной организации в матрице, как правило, остаются незадействованные триггеры или комбинаторные блоки, и общий коэффициент использования ресурсов ПЛИС составляет около 70%.

Выпускает ли Actel аналогово-цифровые системы на кристалле?

Да, выпускает, в состав этих микросхем могут входить АЦП, ЦАП и блоки подготовки аналогового сигнала — набор операционных и дифференциальных усилителей с программируемым коэффициентом усиления. Для применений, в которых требуется не только цифровая, но и достаточно развитая аналоговая обработка сигналов, Actel предлагает два семейства аналогово-цифровых систем на кристалле. Это семейства Fusion и SmartFusion. Помимо развитой цифровой части, включающей ARM-совместимые процессоры и развитую периферию, микросхемы этих семейств имеют несколько каналов аналогового ввода (а в семействе SmartFusion и вывода). Более подробно об этих семействах можно узнать на сайте: www.actel.ru.

Предоставляет ли Actel средства защиты интеллектуальной собственности при обновлении прошивок ПЛИС?

Actel является пионером в производстве микросхем ПЛИС, которые позволяют сменить прошивку в системе заказчика без риска потери интеллектуальной собственности. Для этого в микросхемах Actel предусмотрено специальное 128-разрядное поле ключа, после программирования которого все действия с прошивкой осуществляются в кодированном виде. Раскодирование новой прошивки осуществляется внутри такой микросхемы аппаратно, в реальном времени при ее программировании. Кроме того, защищенная микросхема не может быть стерта без указания кода защиты. Кодирование информации производится по стандарту 128-Bit Advanced Encryption Standard (AES), и является наиболее устойчивым решением против взлома из доступных для защиты прошивок ПЛИС.

Поставляются ли микросхемы Actel в микроминиатюрных корпусах?

Actel выпускает микросхемы в самых разных корпусах, в том числе в корпусах типа UC — это BGA-корпуса с шагом 0,4 мм. Например, корпус UC36 имеет 36 выводов при размере 3×3 мм. Использование таких корпусов стало возможным в результате беспрецедентно низкого потребления ПЛИС Actel, и поэтому даже такие маленькие корпуса не нагреваются сколь либо заметно во время работы. Кроме того, некоторые серии ПЛИС Actel доступны в бескорпусном исполнении.

Какой температурный диапазон у ПЛИС Actel?

Подавляющее число микросхем Actel работают в температурном диапазоне –55…125˚С или же имеют аналоги с таким температурным диапазоном. Только аналогово-цифровые системы на кристалле и микросхемы семейства IGLOO производятся в исполнениях C и I. Для применения в аппаратуре, работающей в условиях повышенной радиации, выпускаются однократно программируемые микросхемы с требуемым температурным диапазоном, с аппаратно троированными триггерами, рассчитанные на работу при дозе поглощенной радиации до 300 КРад.

Каковы начальные затраты при переходе на ПЛИС Actel?

Если вы решили попробовать работать с микросхемами фирмы Аctel, то на сайте фирмы (www.actel.com) вы можете бесплатно скачать интегрированную среду разработки Libero. Для того чтобы начать работать, достаточно установить программное обеспечение и зарегистрировать его на сайте Actel (регистрация не требует денежных затрат). Если файл лицензии не пришел к вам по электронной почте в течение 30 мин, зайдите на сайт — скорее всего, вы сможете получить лицензию с сайта быстрее, чем придет письмо. Вы абсолютно бесплатно получите версию среды разработки Libero-Gold. По сравнению с платной эта версия имеет следующие ограничения:

– вы не сможете создавать проект для микросхем с количеством системных вентилей более 1,5 млн.;

– вы не сможете одновременно использовать в одном проекте два языка описания Verilog и VHDL, но сможете создавать различные проекты на любом из них;

– вы не сможете увидеть исходный код бесплатно поставляемых IP-модулей.

Как видите, ограничения эти незначительны и, как правило, не сдерживают начинающего разработчика. Для программирования флэш-ПЛИС потребуется еще и программатор, например, недорогой FlashPro4, однако если вы решили начать со стартового набора, то в состав многих из них программатор уже входит.

Как дорого обходятся IP-ядра встраиваемых процессоров для ПЛИС Actel?

Если вам подойдет один из процессоров ARM, i8051, SPARC V8 или вам нужен очень простой процессор, занимающий минимум места в матрице ПЛИС, то не потребуется никаких денежных затрат — готовые IP-ядра этих процессоров доступны бесплатно. Actel не только производит микросхемы, но и оказывает помощь разработчикам устройств на всех стадиях проектирования и производства. Так, пользователям наших микросхем предоставляются IP-ядра процессоров и интерфейсов, разработанные в компании Actel. На рынке представлено также большое число IP-ядер партнеров компании. Интегрированная среда разработки Libero-Gold доступна (бесплатно) на сайте компании. Libero включает весь необходимый набор модулей для создания, верификации, программирования и отладки как собственно ПЛИС, так и встроенных IP- или hardware-процессоров и аналоговых блоков внутри микросхем Actel. Существует платная версия интегрированной среды Libero-Platinum, предназначенная для больших проектов (>1,5 млн системных вентилей). Actel осуществляет поддержку пользователей по телефону и проводит обучение специалистов на территории заказчика.

Заключение

Компания Actel производит микросхемы ПЛИС, сравнимые по цене с аналогами других производителей. ПЛИС Actel, изготовленные по флэш-технологии, имеют ряд преимуществ перед ПЛИС, выполнеными по технологии SRAM, а именно — низкое энергопотребление, мгновенное включение, отсутствие ошибок загрузки.

Аналогово-цифровые системы на кристалле от Actel позволяют существенно уменьшить размеры плат электронных устройств и значительно облегчают настройку и модификацию устройств.

Однократно программируемые ПЛИС Actel, изготовленные по технологии Antifuse, имеют высокую радиационную стойкость и надежность, позволяющую использовать их в космических аппаратах с продолжительными миссиями. Подготовку необходимых документов для получения лицензий государственного департамента США на поставку этих микросхем в Россию берет на себя официальное представительство Actel.

Переход на ПЛИС Actel не потребует значительных затрат средств и времени, т.к. существует бесплатная среда разработки Libero Gold, а официальное представительство Actel в Росиии и Украине оказывает всестороннюю поддержку разработчикам.

Литература

1. Описание микросхем семейства Actel RTAX_DSP//www.actel.com/documents/RTAX_DSP_PB.pdf.

2. Карпов С. Actel: новые технологии, передовые решения//Электроника НТБ, 2007, №7//www.electronics.ru/pdf/7_2007/1684.pdf.

3. Описание микросхем ALTERA Cyclone III//www.altera.com/literature/ds/es_cyciii.pdf.

4. I.Scouras. Antifuse FPGAs offer cost-effective alternative to rad-hard ASICs//www.eeproductcenter.com/showArticle.jhtml?articleID=165700951.