Новые микросхемы. Программируемые матричные кристаллы

ОАО «НИИМА «Прогресс» и ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон» представляют программируемые матричные кристаллы (ПМК) с ускорителями ЦОС, микроконтроллерами,  встроенной памятью и интерфейсными схемами, сочетающие в себе достоинства ПЛИС и БМК. Микросхемы разработаны в дизайн центре ОАО «НИИМА «Прогресс» (г. Москва) и  изготовлены на заводе ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон» (г. Зеленоград) по технологии КМОП 180 нм. Корпусирование и испытания СБИС ПМК обеспечивает НИИЭТ, г.Воронеж.

Назначение:

• замена современных зарубежных ПЛИС (FPGA),
• ускорение и удешевление процесса разработки, изготовления и испытаний СБИС,
• радикальное уменьшение номенклатуры применяемых электронных компонентов.

• 

Рис 1. Обобщенная блок-схема ПМК. Все указанные на рисунке ресурсы программируются по желанию заказчика.

• 

Рис 2. Корпуса микросхем

Технические характеристики ПМК_1:

• Технология  – КМОП 180 нм.

• Программирование -  2-4 слоя металла.

• Статус – изготовлен, готов к тестовым прошивкам.

• Число эквивалентных вентилей  – 0.7 миллиона.

• Суммарный объем реконфигурируемого ОЗУ  –  2 Мбит.

• Суммарный объем реконфигурируемого ПЗУ  –  1.4 Мбит.

• Число ускорителей ЦОС  – 9.

• Суммарная производительность ускорителей ЦОС:

- 2.7 ГФЛОПС (32-разрядная плавающая точка),

- 2.7 Гоп/с (32-разрядная фиксированная точка),

- 5.4 Гоп/с (16-разрядная фиксированная точка).

• Возможность организовать на кристалле до 9 универсальных микроконтроллеров (цифровых процессоров сигналов), работающих параллельно (ассемблер, компилятор языка С, среда разработки и отладки программ предоставляются).

• Производительность каждого микроконтроллера:

–  150 МИПС для контроллерных задач,

–  600 МИПС или 300 МФЛОПС для задач ЦОС.

• Тактовая частота:

–  до 1 ГГц (счетчики, сдвиговые регистры),

–  300 МГц – конвейерные схемы,

–  150 МГц – ускорители ЦОС, микроконтроллеры, встроенная память (ОЗУ, ПЗУ).

• Гигагерцовый последовательный интерфейс (1-1.25 ГГц) по дифференциальным линиям (6 дуплексных каналов) суммарной пропускной способностью 12 Гбит/с.

• LVDS интерфейсы для подключения высокоскоростных АЦП и ЦАП.

• Возможность организовать PCI  33/66 МГц и DDR RAM 100 МГц интерфейсы.

• Число выводов на кристалле ~  600.

• Кристалл будет упаковываться в корпуса с числом выводов   180, 325, 448,  602 (CPGA180, CPGA325, PBGA448, CPGA602).

• На основе ПМК могут строиться гигагерцовые системы передачи данных Fibre Cannel, Gigabit Ethernet и подобные.

• На базе ПМК БПФ с фиксированной точкой (16 разрядов с блоковой нормализацией) выполняется за время Т = N*log2(N) нс, где порядок БПФ   N=16 – 16К  (при N = 1К  Т = 10 мкс).

• По характеристикам  (быстродействие, потребление) ПМК соответствует  зарубежным ПЛИС, реализованным по технологическим нормам  65 нм (серии Virtex-5, Spartan-5 фирмы Xilinx).

 

 

Технические характеристики ПМК_2:

• Технология  – КМОП 180 нм.

• Программирование -  2-4 слоя металла.

• Статус – изготовление в конце 2013 года, возможно совмещение изготовления с прошивкой пользователя.

Приглашаются к сотрудничеству потенциальные пользователи.

• Число эквивалентных вентилей  – 2 миллиона.

• Суммарный объем реконфигурируемого ОЗУ  –  2 Мбит.

• Суммарный объем реконфигурируемого ПЗУ  –  нет.

• Число ускорителей ЦОС  – 30.

• Суммарная производительность ускорителей ЦОС:

–  9 ГФЛОПС (32-разрядная плавающая точка), –  9 Гоп/с (32-разрядная фиксированная точка), –  18 Гоп/с (16-разрядная фиксированная точка).

• Возможность организовать на кристалле до 30 универсальных микроконтроллеров (цифровых процессоров сигналов), работающих параллельно (ассемблер, компилятор языка С, среда разработки и отладки программ предоставляются).

• Производительность каждого микроконтроллера:

–  150 МИПС для контроллерных задач, –  600 МИПС или 300 МФЛОПС для задач ЦОС.

• Тактовая частота:

–   до 1 ГГц (счетчики, сдвиговые регистры), –   300 МГц – конвейерные схемы, –   150 МГц – ускорители ЦОС, микроконтроллеры, встроенная память (ОЗУ, ПЗУ).

• Гигагерцовый последовательный интерфейс (1-1.25 ГГц) по дифференциальным линиям (12 дуплексных каналов) суммарной пропускной способностью 24 Гбит/с.

• LVDS интерфейсы для подключения высокоскоростных АЦП и ЦАП.

• Возможность организовать PCI  33/66 МГц и DDR RAM 100 МГц интерфейсы.

• Число выводов на кристалле ~  700.

• Кристалл будет упаковываться в корпуса с числом выводов   180, 325, 448,  602 (CPGA180, CPGA325, PBGA448, CPGA602).

• На основе ПМК могут строиться гигагерцовые системы передачи данных Fibre Cannel, Gigabit Ethernet и подобные.

• На базе ПМК БПФ с фиксированной точкой (16 разрядов с блоковой нормализацией) выполняется за время Т = 0.5*N*log2(N) нс, где порядок БПФ N= 16 – 32К  (при N = 1К  Т = 5 мкс).

• По характеристикам  (быстродействие, потребление) ПМК соответствует  зарубежным ПЛИС, реализованным по технологическим нормам  65 нм (серии Virtex-5, Spartan-5 фирмы Xilinx).

Технические характеристики радиационно-стойкого ПМК_3:

• Технология  – КНИ 180-240  нм.

• Программирование -  2-4 слоя металла.

• Статус – изготовление в конце 2013 года (при готовности технологии), возможно совмещение изготовления с прошивкой пользователя.

Приглашаются к сотрудничеству потенциальные пользователи.

• Число эквивалентных вентилей  – 1 миллион.

• Суммарный объем реконфигурируемого ОЗУ  –  2 Мбит.

• Суммарный объем реконфигурируемого ПЗУ  –  1 Мбит.

• Число ускорителей ЦОС  – 9.

• Суммарная производительность ускорителей ЦОС:

–  2 ГФЛОПС (32-разрядная плавающая точка), –  2 Гоп/с (32-разрядная фиксированная точка), –  4 Гоп/с (16-разрядная фиксированная точка).

• Возможность организовать на кристалле до 9 универсальных микроконтроллеров (цифровых процессоров сигналов), работающих параллельно (ассемблер, компилятор языка С, среда разработки и отладки программ предоставляются).

• Производительность каждого микроконтроллера:

–  100 МИПС для контроллерных задач, –  400 МИПС или 200 МФЛОПС для задач ЦОС.

• Тактовая частота:

–  до 500 МГц (счетчики, сдвиговые регистры), –  200 МГц – конвейерные схемы, –  100 МГц – ускорители ЦОС, микроконтроллеры, встроенная память (ОЗУ, ПЗУ).

• LVDS интерфейсы для подключения высокоскоростных АЦП и ЦАП.

• Число выводов на кристалле ~  600.

• Кристалл будет упаковываться в корпуса с числом выводов   180, 325, 448,  602 (CPGA180, CPGA325, PBGA448, CPGA602).

• На базе ПМК БПФ с фиксированной точкой (16 разрядов с блоковой нормализацией) выполняется за время Т = 2N*log2(N) нс, где порядок БПФ N = 16 – 16К  (при N = 1К  Т = 20 мкс).

Планируемые к использованию корпуса представлены на рис.2.

Способы применения ПМК:

1. Список цепей (нетлист)  прототипа на ПЛИС в формате Xilinx или Altera в полуавтоматическом режиме переводится в ПМК (режим БМК).
2. Заказчик, имея модель будущей системы на языке С, компилирует ее в систему команд микроконтроллеров, используемых в ПМК, определяет необходимое количество микроконтроллеров, требуемых для построения системы, находит критичные места, которые нужно реализовать с помощью аппаратных блоков, и  формирует спецификацию на систему в кристалле (число микроконтроллеров, конфигурация памяти, аппаратные блоки, интерфейсы и т.д.). Спецификация передается на завод-изготовитель, и в течение полугода Заказчик получает требуемую СБИС. Поскольку львиную долю системы (70-100%), как правило, можно будет реализовать программным путем, трудоемкость разработки СБИС радикально сокращается. При этом СБИС может модифицироваться в процессе отладки подобно ПЛИС путем загрузки нового программного обеспечения в микроконтроллеры. В итоге у разработчиков систем исчезает необходимость работать с ПЛИС, поскольку работать уже можно будет на уровне модулей, а не ПЛИС. Выпуск серийных изделий радикально упрощается, поскольку ПМК – это наполовину серийное изделие, а сам процесс доведения ПМК до полностью серийного изделия с требуемой приемкой будет формализован и отлажен.
3. В полностью заказной СБИС (независимо от технологии), проектируемой с помощью  библиотеки стандартных элементов, отдельные блоки разрабатываются на базе вентильной матрицы  ПМК. В результате появляется возможность с минимальными затратами исправлять возможные ошибки в СБИС, а также модифицировать ее на аппаратном уровне на этапе тестирования или эксплуатации.

Дальнейшее развитие ПМК. Программируемый матричный кристалл (ПМК) – это гораздо более широкое понятие, чем БМК или ПЛИС в их классическом варианте.  ПМК – это:

-  новый современный способ проектирования и изготовления заказных СБИС на базе библиотеки стандартных элементов, позволяющий радикально снизить затраты на разработку и изготовление СБИС,

- платформа, оптимизируемая под конкретный класс применений и легко портируемая на любую технологию,

- мультипроцессорная вычислительная система, имеющая возможность модификации не только на программном, но и на аппаратном уровне.

Способы программирования ПМК:

-   слоями металлов (2-4 слоя) подобно БМК,

-  одним слоем переходных отверстий подобно матричным кристаллам компании eASIC,

-  программирование пользователем подобно ПЛИС (FPGA). Последние 2 способа значительно хуже используют площадь кристалла и уступают в быстродействии первому способу. Поэтому их применение становится оправданным, начиная с технологии с нормами 90 нм и ниже, когда стоимость изготовления СБИС значительно возрастает, а схемотехнические ресурсы кристаллов (число вентилей, быстродействие) становятся избыточными для большинства применений. В настоящее время разрабатывается проект ПМК, в котором будут использоваться все 3 указанных способа программирования.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.