A un quarto di secolo dalla nascita, il Field Programmable Gate Array sembra essere entrato oggi in una nuova fase della propria esistenza, caratterizzata da un ruolo più importante nell'ambito dei sistemi elettronici e da un deciso ampliamento dello spettro applicativo. A questa evoluzione contribuiscono due principali fattori: da un lato la trasformazione in atto nell'industria dei semiconduttori, dall'altro le innovazioni tecnologiche introdotte dai produttori, sia dai due leader di mercato sia dai player di dimensioni inferiori.
Un nuovo ruolo
Una delle principali tendenze in atto riguarda il cambiamento del ruolo degli Fpga. Una ventina di anni fa questi dispositivi erano considerati utili principalmente come soluzioni di prototipazione (in attesa dello sviluppo di chip dedicati) o per riunire la glue logic che altrimenti avrebbe occupato molto spazio sulla scheda. Oggi, invece, in molte applicazioni gli Fpga costituiscono il cuore del sistema (processore compreso) e vengono utilizzati regolarmente nella produzione in serie. Questo cambiamento è avvenuto in modo graduale, poiché ha seguito l'andamento della cosiddetta “legge di Moore” (l'adozione di geometrie di processo sempre più piccole, con la conseguente possibilità di fabbricare Fpga sempre più grandi). Percorrendo questa strada, però, l'industria elettronica sembra avere varcato una soglia che conduce oggi a un panorama del tutto nuovo. Molti elementi, infatti, inducono a pensare che in un futuro non lontano gli Fpga costituiranno la “normale” soluzione di implementazione per buona parte dei i sistemi digitali, mentre i chip tradizionali (progettati per una specifica funzione) saranno utilizzati prevalentemente nelle applicazioni caratterizzate da volumi produttivi estremamente alti. A parlare di una vera e propria svolta sono ovviamente i produttori di Fpga e in particolare Xilinx, che punta il dito sul continuo aumento dei costi di sviluppo dei circuiti integrati. A 32 nanometri, infatti sviluppare un nuovo chip costa cento milioni di dollari, una cifra giustificabile solo da volumi produttivi estremamente alti. Il problema rappresentato dall'aumento dei costi di sviluppo è stato forse sottovalutato negli scorsi anni, almeno a livello psicologico: in fondo il concetto chiave della legge di Moore (sempre più transistor senza aumentare l'area del die) porta con sé un assunto implicito del tipo “sempre più transistor senza aumentare i costi”. Questo assunto, però, si è rivelato sbagliato, almeno per quanto riguarda la componente Nre (Non-recurrent engineering). E oltre una certa soglia, l'aumento dei costi di sviluppo porta a un'inversione del rapporto tra chip tradizionali (Asic, Assp) e logiche programmabili: queste ultime divengono più competitive, nonostante i loro limiti intrinseci. Occorre ricordare, infatti, che un Fpga non può mai costituire una soluzione di implementazione totalmente ottimizzata, poiché rispetto a un chip Asic/Assp comporta sprechi di silicio (porte logiche inutilizzate, risorse di routing), minore velocità (le catene logiche sono più lunghe) e maggiori consumi. Ma, sempre grazie alla solita legge di Moore, questi svantaggi sono diventati largamente trascurabili: oggi i transistor sono disponibili in abbondanza e le velocità dei chip sono sempre più alte.
La trasformazione dell'industria dei semiconduttori
L'aumento dei costi di sviluppo dei chip ha effetti anche sul tessuto industriale della microelettronica, effetti che possono tradursi in un ulteriore fattore favorevole per la diffusione delle logiche programmabili. È ovviamente di questo avviso Moshe Gavrielov, Ceo di Xilinx, che ha affrontato questo tema nel corso di una recente conferenza stampa. Gavrielov ha attirato l'attenzione anche sui costi delle fabbriche di semiconduttori, che com'è noto hanno raggiunto livelli stratosferici; alcuni osservatori ritengono che gli impianti per chip a 11 nanometri potranno essere realizzati solo da grandi conglomerati industriali o dai governi dei paesi ricchi. Secondo il Ceo di Xilinx, in questo scenario quasi tutti i produttori di semiconduttori si trovano in difficoltà già oggi. Le società più grosse stanno cercando di liberarsi delle loro fabbriche per divenire aziende “fabless” e sono quindi alle prese con una difficile trasformazione. Le aziende di dimensioni medie devono affrontare gli stessi problemi dei produttori di Asic, cioè ammortizzare costi di sviluppo sempre più alti: per giustificare uno sviluppo costato cento milioni di dollari occorre un mercato da 500 milioni di dollari, ma le opportunità così grosse sono davvero rare. Di conseguenza le aziende di questa categoria hanno attualmente difficoltà finanziarie che porteranno probabilmente a un'ondata di fusioni e acquisizioni. Le piccole società startup, infine, sono una razza a rischio di estinzione, poiché il venture capital si tiene lontano da un settore che oggi richiede altissimi investimenti, difficili da ammortizzare. Secondo quanto riferisce Gavrielov, ad esempio, da due anni Sequoia Capital non effettua investimenti nel settore dei semiconduttori. Esiste quindi la possibilità di una riduzione dell'offerta di Assp e Asic rivolti ad alcuni settori applicativi, il che aprirebbe ulteriori opportunità per gli Fpga. Sempre secondo Gavrielov, al crescente successo delle logiche programmabili contribuiscono anche altri due fattori: l'attuale crisi economica (che premia le implementazioni meno costose) e l'accorciamento del ciclo di vita dei prodotti elettronici (fenomeno che si osserva, seppure in misura diversa, in tutti i settori applicativi). Occorre comunque ricordare che la gara tra gli Fpga e i dispositivi tradizionali (Asic e Assp) è sempre aperta, pertanto le reali opportunità di crescita delle logiche programmabili dipendono dalla loro effettiva competitività nei singoli casi applicativi. Vediamo quindi - limitandoci ad alcuni esempi - i modi in cui i produttori di Fpga stanno cercando di ampliare lo spettro applicativo dei loro prodotti.
Aumento della densità, architetture più ricche
L'aumento della “densità” (termine usato impropriamente per indicare il numero di gate offerto da un Fpga) è la principale dimensione di sviluppo perseguita dai produttori tramite l'adozione di geometrie di processo sempre più piccole. Tipicamente ogni nuova generazione di prodotto corrisponde al passaggio a un nuovo “nodo” della Itrs (International Technology Roadmap for Semiconductors): 90 nanometri, 65, 45/40, 32, 22 ecc. Le due società leder di mercato si rincorrono continuamente su questo fronte. Attualmente è stato raggiunto il nodo dei 40 nanometri e Altera è arrivata a questo traguardo con vari mesi di anticipo rispetto a Xilinx (ndr: rinviamo i lettori al prossimo numero di Selezione di Elettronica per una descrizione più dettagliata dei nuovi dispositivi Xilinx a 40 nanometri, annunciati in gennaio). Fino ad alcuni anni fa la densità era il principale parametro di valutazione di un Fpga; oggi, invece, viene assegnata notevole importanza anche ad altri fattori come il consumo, la velocità ecc. Per quanto riguarda le architetture va osservato che da tempo gli Fpga non sono più composti soltanto di logica, memoria e risorse di routing. Il tessuto comprende infatti vari blocchi “hard-wired” che svolgono funzioni specifiche, tipicamente Dsp, transceiver, ma anche blocchi di hard IP legati a specifici standard, come Pci Express. L'evoluzione delle architetture segue le tendenze dell'elettronica nel suo complesso; l'inserimento dei Dsp riflette la maggiore importanza che questo tipo di funzioni riveste nell'era delle comunicazioni digitali, mentre l'inserimento dei transceiver è legato al crescente successo dei bus seriali.
Maggiore sostegno agli utilizzatori
Un aspetto fondamentale ai fini del successo degli Fpga è l'offerta di strumenti che aiutino l'utilizzatore a mettere a punto rapidamente una soluzione ottimizzata e personalizzata. Nel caso delle due principali società del settore, l'insieme di questi strumenti ha raggiunto dimensioni importanti. Xilinx, ad esempio, da tempo offre diverse sottofamiglie di prodotto ottimizzate a livello hardware per particolari applicazioni. L'ottimizzazione è ottenuta cambiando il mix dei vari “ingredienti” che compongono l'Fpga: elementi logici, Ram, blocchi Dsp, I/O paralleli o seriali, eventuali processori. Contestualmente al recente lancio delle famiglie Virtex6 e Spartan6, inoltre, Xilinx ha introdotto il concetto di “targeted design platform” per indicare un insieme di cinque elementi:
- dispositivi Fpga;
- core di proprietà intellettuale;
- ambiente di progettazione;
- progetti di riferimento per le varie applicazioni;
- schede e kit di sviluppo. Anche Altera, ovviamente, offre una vasta gamma di strumenti a sostegno degli utilizzatori.
La riduzione dei consumi
La riduzione dei consumi è un tema di grandissima attualità per l'intera industria elettronica e naturalmente i produttori di Fpga non possono sottrarsi a questa sfida. In genere il consumo dei normali Fpga basati su Sram è ritenuto piuttosto elevato, ma va detto che finora questo aspetto non ha impedito ad essi di conquistare un ruolo sempre più importante in tutti i settori applicativi. I produttori di Fpga basati su Sram perseguono la riduzione dei consumi in diversi modi. Altera, ad esempio, ha sviluppato un approccio articolato su più fronti:
- grazie al sostegno della propria fonderia, la società impiega un processo di fabbricazione a 40 nanometri che tende a ridurre i consumi tramite l'impiego di accorgimenti quali dielettrico a bassa costante K, transistor a soglia multipla, transistor dotati di gate di diversa lunghezza, triplo ossido, ecc.;
- i transistor a soglia multipla sono utilizzati per realizzare una soluzione denominata Programmable Power Technology, che consente di scegliere per ogni singolo blocco (tile) del dispositivo tra due diverse modalità di funzionamento: una ad alta velocità (che di solito è necessaria solo per un 20% dei tile) e una a basso consumo (con velocità più bassa, ma sufficiente per il resto del progetto). Il passaggio da una modalità all'altra è ottenuto cambiando la tensione di polarizzazione inversa dei transistor;
- accorgimenti a livello di architettura, tra cui la scelta di un tessuto (MultiTrack Interconnect) che consente a ogni singola blocco logico di avere collegamenti brevi con un numero elevato di blocchi circostanti; un sistema di distribuzione dei diversi clock che permette di propagare a ogni blocco logico solo i segnali effettivamente utilizzati; la possibilità di usare due diverse configurazioni delle resistenze di terminazione nelle operazioni di scrittura e lettura verso chip di memoria esterni (Dinamic On-Chip Termination);
- algoritmi di ottimizzazione dei consumi inclusi nel software di progettazione Quartus II.
Un approccio molto più radicale alla riduzione dei consumi consiste nell'adottare una tecnologia di memoria diversa dalla Sram. È la strada scelta da Actel con i propri Fpga basati su tecnologia Flash. In particolare i dispositivi della famiglia Igloo, rivolta prevalentemente alle applicazioni portatili, possiedono una modalità di funzionamento “ultra-low power” nella quale consumano solo 2 microwatt. Il passaggio verso questa modalità, così come il ritorno al funzionamento normale, è ottenuto tramite la tecnologia denominata FlashFreeze, che consente di “congelare” lo stato dell'intero dispositivo: non solo la configurazione (che del resto è non-volatile, grazie all'uso delle Flash), ma anche il contenuto delle Sram e dei registri e gli stati degli I/O. Secondo i dati diffusi da Actel, gli Fpga Igloo consentono di decuplicare la durata delle batterie rispetto a dispositivi concorrenti.
Tra le aziende che propongono nuovi Fpga a basso consumo è compresa anche la start-up SiliconBlue, che ha messo a punto un particolare processo Cmos nel quale la lunghezza dei gate dei transistor è ottimizzata per ridurre le perdite di corrente. In questo modo la società è riuscita a realizzare Fpga caratterizzati da una corrente di stand-by di soli 25 microampere.
L'aumento della velocità
Il progressivo aumento della velocità è uno degli obiettivi perseguiti tramite l'adozione di geometrie di processo sempre più piccole. Esiste tuttavia anche la possibilità di raggiungere velocità più alte, a parità di geometrie, ricorrendo ad architetture innovative. Uno degli esempi più significativi in questo senso è rappresentato dagli Fpga sviluppati da Achronix, che raggiungono una velocità tripla rispetto alle loro controparti tradizionali: 1,5 GHz con un processo a 65 nanometri. L'architettura ideata dalla piccola società californiana si basa su particolare tessuto logico asincrono che consente di rendere più veloci le operazioni e il movimento dei dati all'interno del chip. Lo scambio di bit tra i diversi elementi logici avviene per mezzo di segnali di acknowledgment. La tecnologia sviluppata da Achronix consente anche di ridurre la tensione di alimentazione per limitare il consumo di potenza. Come appare da questa breve panoramica, i produttori non lesinano gli sforzi per ampliare lo spettro applicativo degli Fpga. È lecito attendersi, pertanto, che questa categoria di dispositivi diventerà nei prossimi anni una risorsa sempre più importante per l'industria elettronica.
