FPGA mảng phần tử logic có thể lập trình

mảng phần tử logic có thể lập trình FPGA là một mạch tích hợp có thể được lập trình lại sau nhà sản xuất để mô phỏng một mạch kỹ thuật 2 số

FPGA hữu ích khi tạo mẫu những chức năng trước khi sản xuất quy mô, hoặc, trong số hiếm trường hợp, có thể sử dụng nếu chip làm riêng không rẻ

FPGA không phải chip đầu tiên có khả năng này nhưng đến nay là sản phẩm gặt hái thành công thương mại nhất

câu chuyện phát triển FPGA là hỗn hợp công nghệ và kinh doanh

hàng thập kỷ người ta tìm cách làm một con chip có thể lập trình lại sau khi sản xuất

Khởi đầu
từ lâu, nếu ai muốn tạo mẫu và thử nghiệm chức năng logic trên phần cứng thì chỉ có 2 lựa chọn

đầu tiên là sử dụng chip TTL là những bóng bán dẫn cắm vào một bảng mạch in

nhược điểm là bị hạn chế bởi kích thước của bảng và tiêu thụ điện

thứ 2 là đặt hàng chip làm riêng, phải trả trước số tiền lớn: trả tiền mua một mặt nạ quang và đợi hàng tháng để gia công [fab] và nếu thiết kế có lỗi thì không thể tuỳ chỉnh dữ liệu và chế lại ngay được

ngày nay những chip đặt riêng ấy là ASIC mạch tích hợp chuyên dụng

nên, nếu ta có một mạch có thể lập trình lại để có được những chức năng ta muốn tạo mẫu

sau thập niên 1960 mạch tích hợp được áp dụng rộng rãi hơn thì khả năng lập trình lại tại chỗ đã trở thành một nhu cầu tất yếu

PROM bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình được
mạch tích hợp đầu tiên có khả năng thực hiện một chức năng logic có thể lập trình được là những "bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình được"

năm 1970 bán dẫn Harris ra mắt PROM có thể được lập trình để thực hiện một mảng phần tử logic có thể lập trình được: một bộ cổng và và một bộ cổng hoặc

đầu vào, trước tiên, đi vào bộ cổng và, và đầu ra được truyền cho bộ hoặc, trước khi xuất ra cho người dùng

cổng và và cổng hoặc là một loại chức năng logic gọi tên là logic tổ hợp hoặc độc lập thời gian

tức là đầu ra của chức năng [hàm số] hoàn toàn phụ thuộc vào đầu vào, như một hệ thống tất định

khác với chức năng [hàm] tuần tự [chuỗi] là một loại logic mà đầu ra cần một số vật phẩm bên ngoài khác

ví dụ một hàm tổng cuốn chiếu, muốn cuốn chiếu được tổng thì phải biết số tổng trước đó là gì

bất cứ chức năng logic tổ hợp nào cũng có thể được biểu diễn bởi một số các cổng [phần tử logic] và và hoặc

sản phẩm PROM của Harris được chào bán có cổng và cố định, nghĩa là không thể bị tuỳ chỉnh

cổng hoặc có thể lập trình được, để làm cho lập trình được thì Harris sử dụng những mối nối kim loại dễ nóng chảy làm từ hợp kim niken-crôm thay vì nhôm

người dùng lập trình bằng cách đốt những công tắc, căn bản khiến sản phẩm chỉ dùng một lần

Harris tiên phong trong gia công [fab] những cầu chì cháy được này, tạo ra những kíp thử nghiệm trên đĩa wafer và kích nổ trong công đoạn thử nghiệm

nhưng sử dụng PROM để thực hiện logic lập trình được thì không hiệu quả vì không cần những tế bào bộ nhớ - cần chuyên dụng hơn

năm 1975 Signetics, sau này sát nhập vào bán dẫn NXP, ra mắt mảng logic lập trình được PLA [programmable logic array]

chiếc PLA cả bộ và và bộ hoặc các cổng logic được làm cho lập trình được, cho phép người dùng thực hiện một loạt các chức năng logic, như tổng các sản phẩm, nhưng đổi lại đắt đỏ

chiếc PLA cần chip lớn hơn nhiều, tăng giá thành mỗi chiếc tốn 25 đôla năm 1975 tương đương 140 đôla Mỹ ngày nay

và lập trình một lộ trình thì vẫn phải đốt mối nối, lỗi là xong luôn

cho nên, mặc dù cải tiến nhưng PLA chìm nghỉm, thị trường cần sản phẩm khác cho nhu cầu lập trình tại chỗ

Mảng logic lập trình được và MMI
năm 1977 kỹ sư John Birkner và H T Chua của công ty Monolithic Memories đã sửa lại chiếc PLA để tạo ra một thiết bị mới, lấy tên là PAL [programmable array logic]

chiếc PLA quá linh hoạt đến mức giống một trò giải đố hơn là sản phẩm
chiếc PAL đổi lại một số khả năng tuỷ chỉnh để cải thiện hiệu năng và giá thành
PAL giữ lại bộ cổng và lập trình được nhưng làm bộ hoặc cố định
PAL cũng bao gồm thêm những mạch logic tuần tự [chuỗi] bằng cách sử dụng các tế bào [cell] lớn [macro]
những mạch máy tính thực tiễn sử dụng một hỗn hợp logic tổ hợp và tuần tự
nên nhà thiết kế PAL bổ sung những thiết bị loại logic tuần tự, như bật tắt, vào đầu xuất cuối PAL
bổ sung những mạch logic tuần tự đã khiến PAL thực tiễn hơn cho người dùng bình thường
đầu thập niên 1980 công nghệ mới ra mắt làm những mạch này dễ lập trình lại hơn
ví dụ ta có thể chiếu tia cực tím qua một cửa sổ để xoá, không cần mối nối nữa
những PLA, PAL nhỏ này có thể được xếp vào những thiết bị logic lập trình được đơn giản
PAL thành công thương mại nhất định

các nhà sản xuất bộ nhớ thấy PAL đủ thân quen như những sản phẩm chủ đạo để bổ sung vào kệ hàng bán và công ty Monolithic Memories giúp người dùng học cách sử dụng

PAL có nhược điểm và một công ty mới sớm xuất hiện để cạnh tranh

Altera
năm 1980 một số cựu kỹ sư từ Intel, Signetix và Intersil thành lập một công ty tư vấn thiết kế gọi tên là Source 3
chuyên môn của Source 3 là giúp các công ty làm việc với công ty cung cấp bán dẫn, bấy giờ chưa có những công cụ [phần mềm] thiết kế
kinh nghiệm của nhân viên Source 3 đã làm với các nhà sản xuất chip ASIC nên họ đã cố tự làm phần cứng lập trình tại chỗ riêng
dự án gây 750000 đôla vốn từ một nhà đầu tư mạo hiểm và thành lập một công ty mới là Altera

tháng 7 năm 1984 sản phẩm đầu tiên ra mắt là chiếc EP300 một thiết bị logic lập trình được đơn giản được làm với tiến trình CMOS [bán dẫn kim loại ôxit bù] EEPROM [bộ nhớ chỉ đọc lập trình được và xoá được bằng điện]
nhược điểm của PAL là cấu trúc không thể tăng quy mô
luật Moore cho phép nhét thêm bóng bán dẫn trên khuôn [die] nhưng không thể tăng bộ các cổng và để tăng hiệu năng tương ứng - mạch sẽ phình to và chậm lại
để tận dụng được lợi thế của thu nhỏ kinh điển, Altera tiên phong thiết bị logic lập trình được phức tạp

sản phẩm lấy một số PAL nhỏ và kết nối bằng thanh ngang để dễ tăng quy mô hơn
lựa chọn sử dụng CMOS cũng là tiến bộ lớn
bấy giờ CMOS không sẵn hàng ở Mỹ nên công ty phải tìm đến công ty điện tử Ricoh ở Nhật Bản
Altera thành công đã báo hiệu thành công của mẫu thiết kế mà ngày nay đang lèo lái ngành bán dẫn Mỹ

Xilinx
thiết bị logic lập trình được phức tạp của Altera là bước tiến nhưng vẫn cần một công ty nữa để lên được khái niệm ta có ngày nay
giữa thập niên 1980 kỹ sư Ross Freeman tại công ty sản xuất bán dẫn Zylog mơ rằng nếu luật Moore tiếp tục thì rốt cuộc bóng bán dẫn sẽ rất rẻ nên sẽ có thê rlàm một miếng silic đáp ứng nhu cầu tất cả mọi người
Ross tuyển dụng các đồng nghiệp cũ ở Zylog để hiện thực hoá giấc mơ ấy
tháng 2 năm 1984 công ty Xilinx chính thức mở cửa sau khi cái tên Logica đã bị lấy mất
Xilinx tận dụng quan hệ với doanh nghiệp Seiko và ký hợp đồng sản xuất chip mới
Xilinx quảng bá nó làm cách để Seiko duy trì hoạt động của các xưởng gia công [fab] và đề nghị đặc quyền bán lẻ ở Nhật Bản
để thiết kế sản phẩm, Xilinx tuyển một nhà thiết kế trẻ tên là Bill Carter
hướng dẫn thiết kế duy nhất cho Bill là ứng dụng sáng chế Ross Freeman, một bản miêu tả hời hợt của ý tưởng
chưa hết, Seiko gia công bằng một tiến trình CMOS 2.5 micromet mà Bill không có kinh nghiệm
Bill phải vừa học vừa liên lạc với xưởng gia công nói tiếng Nhật Bản bên kia Thái Bình Dương
chưa hết, chip sẽ phải rất lớn và kỹ sư Seiko thừa nhận chưa bao giờ làm chip lớn thế, rủi ro là tỷ lệ đạt sẽ không chấp nhận được
Bill Carter liên tục bị yêu cầu làm thứ gì đơn giản thôi, đừng quá điên rồ vì có thể sẽ không gia công được
sản phẩm đúng là đơn giản nhưng thanh lịch, chiếc Xilinx XC2064 là FPGA đầu tiên

nhìn lại PAL có một bộ cổng và và một bộ cổng hoặc, cộng thêm một cell lớn của những mạch khác, ví dụ như cái bật tắt
những cổng và là nơi mà khả năng lập trình tại chỗ của chip có được
như đã đề cập, vấn đề kỹ thuật chính là nếu bộ cổng và phình to ra thì nó sẽ chậm đi
lý do vì số lượng bóng bán dẫn bên trong bộ [cổng và] tăng nhanh hơn nhiều so với số đầu vào và đầu ra trên các cạnh của bộ và
những đầu vào và đầu ra không thể tăng nhanh bằng

giải pháp của FPGA là loại bỏ hoàn toàn bộ cổng và
thay vào đó, FPGA sẽ có một mảng các tảng [block] logic cài đặt được, kết nối với nhau bằng những công tắc lập trình được
những đầu vào và đầu ra của thiết bị được đặt bao quanh thiết bị
bên trong mỗi tảng logic cài đặt được là một cặp những bảng tra cứu [look up table] về căn bản là một mảng các đầu ra được nối với các đầu vào
bảng tra cứu là cách mà FPGA có thể thực hiện những chức năng logic tuỳ ý
nếu cần, chức năng kết quả có thể được nối vào những logic khác, ví dụ cái bật tắt
những mối nối liên thông giữa các tảng logic, cũng lập trình được
kết nối có thể được cài đặt để tạo ra những lộ trình tuỳ ý để đầu ra của tảng này làm đầu vào của tảng kia
những liên kết thiết kế ra đầu tiên của FPGA cần người dùng gắn bộ nhớ ngoài để lưu trữ lập trình khi ngắt điện

sau này, công ty Actel mới phát minh công nghệ cầu chì ngược

đây là những tiến bộ lớn: PAL và PLA thừa kế từ chip bộ nhớ và cấu trúc tương tự, nhưng FPGA nhìn hoàn toàn khác

FPGA đầu tiên
chiếc XC 2064 là chip lớn có 85000 bóng bán dẫn xếp vào 64 tảng logic cài đặt được và 58 tảng đầu vào / đầu ra

XC 2064 chỉ có 1 nghìn cổng

năm 1985 khi chip được vẽ ra, chỉ kích thước chip cũng khiến Seiko vất vả gia công

nhóm Bill Carter đã phải đợi lâu để được giao 25 wafer, nhận được hàng ship đến chỉ để thử được duy nhất wafer thứ 11 hoạt động

chỉ có thế, Carter lấy wafer ấy và xoay xở lập trình được vào một biến tần, thành công mang lại chiếc FPGA đầu tiên

FPGA vs PAL
XC 2064 là FPGA của Xilinx cạnh tranh với thiết bị PAL của Monolithic Memories nhưng khách hàng thường lẫn lộn 2 sản phẩm
trước tiên, chiếc FPGA đắt hơn vì khuôn [die] quá lớn và tỷ lệ đạt cực thấp
cho nên FPGA đầu tiên tốn hàng trăm đôla còn PAL rẻ
một phần vì cấu trúc PAL tương tự bộ nhớ, giống đến mức các nhà sản xuất bộ nhớ bổ sung sản phẩm PAL vào gian hàng
thứ hai là FPGA mới nên khó dùng

Xilinx ra mắt phần mềm tự động hoá thiết kế điện tử [EDA] riêng để thiết kế cho một FPGA
sử dụng phức tạp mà hiệu năng cũng khó đoán trước trong khi PAL dễ hiểu, phần mềm EDA đơn giản và nhiều công ty thứ ba bán cho người dùng
lợi thế EDA cực kỳ thân thiện với người dùng nhưng về sau lại thành bất lợi dài hạn cho ngành PAL

Luật Moore
mặc cho những nhược điểm mới đầu thì FPGA cũng có chỗ đứng trên thị trường và, sau rốt, nổi tiếng
lý do đầu tiên là luật Moore

FPGA may mắn ra mắt trong kỷ nguyên mà công nghệ và cơ hội kinh doanh gặp nhau
về phía công nghệ thì kỹ thuật quang khắc trưởng thành đã tăng tốc thu nhỏ kích thước, và FPGA thu nhỏ được trong khi PAL không thể
nên chi phí gia công bóng bán dẫn sụp đổ thì FPGA hưởng lợi đầu tiên
bóng bán dẫn cần kết nối, cho nên quan trọng không kém là một công đoạn mới gọi tên là đánh bóng hoá cơ đã cho phép các xưởng [fab] hạ giá thành chế tạo những mối kết nối liên thông [interconnect] của FPGA
FPGA có thể tăng số lượng bảng tra cứu và chiều dài mối dây kết nối liên thông, theo cấp số mũ
về cơ hội kinh doanh, đầu thập niên 1990 các xưởng gia công độc lập trỗi dậy

Altera và Xilinx là những tiên phong ban đầu cho mô hình khởi nghiệp
căn bản thì bất cứ nhóm thiết kế nào cũng có thể ra ý tưởng, gọi vốn và liên lạc với xưởng gia công để fab, không cần quan tâm đến sản xuất bán dẫn
đổi lại, xưởng có thể tập trung vào những trở ngại đã ngáng đường Seiko
họ phát hiện ra rằng FPGA và khuôn [die] lớn sẽ có lợi cho việc rèn giũa và tinh thông tiến trình gia công
thị trường FPGA nở rộ với loạt công ty khởi nghiệp mới

phần lớn khởi nghiệp thất bại phải đóng cửa hoặc chuyển hướng kinh doanh nhưng đã góp phần tối ưu và khám phá những tính năng mới
Xilinx và Altera đã hấp thụ những sở hữu trí tuệ và bằng sáng chế của các khởi nghiệp ấy để bổ sung vào danh mục hiệu hữu

EDA
khác biệt lớn nữa là phần mềm

phần mềm EDA của PAL dễ dùng và nhiều nhà cung cấp có bán
thân thiện người dùng như vậy nhưng có nhược điểm
nhà sản xuất PAL không kiểm soát phần mềm nên không tư vấn được về cái mà phần cứng có khả năng làm gì, bị phụ thuộc nhà cung cấp EDA thứ ba
nhà sản xuất PAL sớm nhận ra là chỉ có thể làm được cái mà nhà làm phần mềm EDA hỗ trợ được
tất cả những nhà làm PAL, sau rốt, làm ra phần cứng giống nhau, như máy tính Intel chạy hệ điều hành Windows

thị trường PAL sụp đổ xuống đáy bình dân
còn FPGA kiểm soát EDA riêng, như công ty Nvidia tự viết driver thì các công ty FPGA tự quyết được số phận, viết phần mềm để thêm tính năng và bổ sung tự động hoá để tăng năng suất

Kết
Xilinx và Altera tiếp tục giữ thị phần lớn của ngành FPGA trị giá hàng tỷ đôla

năm 2015 Intel chi 16.7 tỷ đôla mua Altera

năm 2022 AMD chi 50 tỷ đôla mua Xilinx

ngày nay, thiết kế và gia công ASIC càng lúc càng đắt thì FPGA tạo chỗ đứng vững chắc trên thị trường, đặc biệt ở mảng hàng không, quân sự và viễn thông

FPGA tiếp tục thêm tính năng, thâm nhập vào mảng mới như xử lý AI và trung tâm dữ liệu