Circuit logique programmable - Définition et Explications

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Conception du schéma logique

Afin de pouvoir finaliser un FPGA, il est nécessaire d'utiliser un langage de description matériel ou bien un outil de saisie graphique. Après compilation de cette description, on obtient un fichier de configuration pour le FPGA choisi. VHDL (VHDL est un langage de description matériel destiné à représenter le...) et Verilog sont les deux langages de description les plus répandus.

Applications

Les FPGA sont utilisés dans diverses applications nécessitant de l'électronique numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) (télécommunications, aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de...), transports…). Ils sont également utilisés pour le prototypage d'ASIC.

Les FPGA sont généralement plus lents, plus chers à l'unité et consomment d'avantage d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) que leur équivalent en ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Cependant, ils ont plusieurs avantages :

  • délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une...) de mise sur le marché plus court, car ce sont des composants standards,
  • temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de développement plus court, car on réutilise des fonctions de base et la reconfigurabilité autorise une validation préalable moins stricte,
  • coût inférieur pour de petites séries (moins de 10 000 unités). Avec l'évolution technologique, cette quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) tend à augmenter : en effet, le prix d'une puce est proportionnel à sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...), qui diminue avec la finesse de gravure, tandis que les coûts initiaux pour fabriquer un ASIC (conception, tests, masques de gravure) sont en forte augmentation.

Il est parfois possible de transformer directement un FPGA en une version ASIC plus rapide, moins chère et consommant moins (car les matrices de routage (En informatique, le terme routage désigne le mécanisme par lequel les données d'un équipement...) sont remplacées par une couche de métallisation fixe).

Plusieurs FPGA modernes possèdent la possibilité d'être reconfigurés (on parle de configuration lorsqu'il s'agit de programmation (La programmation dans le domaine informatique est l'ensemble des activités qui permettent...) du matériel) partiellement à la volée. Ceci permet d'obtenir des systèmes reconfigurables - par exemple une unité centrale dont les instructions changent dynamiquement en fonction des besoins.

Les FPGA modernes sont assez vastes et contiennent suffisamment de mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) pour être configurés pour héberger un cœur de processeur (Le processeur, ou CPU (de l'anglais Central Processing Unit, « Unité centrale de...) ou un DSP, afin d'exécuter un logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements...). On parle dans ce cas de processeur softcore, par opposition aux microprocesseurs hard-core enfouis dans le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...). Aujourd'hui, les fabricants de FPGA intègrent même un ou plusieurs cœurs de processeur « hard-core » sur un même composant afin de conserver les ressources logiques configurables du composant. Ceci n'exclut pas l'utilisation de processeur softcore possédant de nombreux avantages. On tend donc vers des « Systems On Chip », comme pour le microcontrôleur (Un microcontrôleur est un circuit intégré qui rassemble les éléments...) il y a quelques décennies, avec en plus de la logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος),...) configurable selon l'utilisateur. La mémoire des tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) derniers FPGA est encore insuffisante pour exécuter des logiciels embarqués un peu complexes et on doit avoir recours à des mémoires externe (ROM, RAM). Cependant, la loi de Moore n'est pas encore à bout de souffle et celles-ci devraient être intégrées dans quelques années et suffiront à une grande partie des applications embarquées.

Fabricants

Parmi les fabricants de tels circuits programmables, on trouve Abound Logic, Achronix, Actel, Altera (Altera NASDAQ : ALTR est un fabricant de composants reprogrammables comme les FPGA. Dans...), Atmel, Cypress, Lattice Semiconductor, Nallatech, QuickLogic, SiliconBlue, Tabula Inc., Tier Logic et Xilinx (Xilinx, Inc. est une société américaine spécialisée dans la logique programmable.). D'autres sociétés sont probablement encore à l'état de développement initial et n'ont pas publiquement annoncé de produits.

Procédés technologiques

Les procédés technologiques de base pour les composants programmables sont les suivants :

  • SRAM - (Static Random Access Memory). Programmables à volonté et in situ. Habituellement en technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) CMOS.
  • EPROM (UVPROM) - (Erasable Programmable Read-Only Memory). Peuvent être effacés (et reprogrammés) par exposition aux rayons ultra-violets. Technologie CMOS, en cours de disparition au profit de l'EEPROM.
  • EEPROM - (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Peuvent être effacés et reprogrammés à volonté. Quelques-uns peuvent être programmés in situ (souvent par une connexion JTAG). Technologie CMOS.
  • Flash - (Flash-erase EPROM). Mêmes propriétés que EEPROM mais avec une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) supérieure (donc avec un coût inférieur pour une complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) donnée). Technologie CMOS.
  • Fusible (Fusible signifie « qui peut fondre » : voir Fusion (physique).) - Programmables une seule fois. Technologie bipolaire.
  • Anti-fusible - Ne sont programmables qu'une seule fois. Technologie CMOS.

Dans le cas des technologies à mémoires (SRAM, EEPROM, flash), la mémoire est située à côté du circuit logique proprement dit et chacun de ses bits pilote un interrupteur (Un interrupteur (dérivé de rupture) est un dispositif ou organe, physique ou virtuel, permettant...) (en fait, un transistor) de configuration du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) logique. Dans le cas des technologies à (anti-)fusibles, ceux-ci sont directement dans le réseau logique et ont à la fois la fonction de mémoire non-volatile et d'interrupteur.

Les FPGA haut de gamme sont à la pointe de la technologie : les sauts technologiques, comme la finesse de gravure, sont souvent réalisés sur ces composants avant de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) aux microprocesseurs. En effet, la structure répétitive de la matrice logique est propice au réglage des machines de gravure microélectronique. Ainsi, les premiers composants gravés avec une finesse de 90 nm ont été les FPGA Spartan3 de Xilinx, en 2003.

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