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Article

1 - HISTORIQUE ET TERMINOLOGIE

2 - ARCHITECTURE GÉNÉRIQUE D'UN FPGA

3 - EXEMPLES DE FAMILLES DE FPGA

4 - OUTILS DE DÉVELOPPEMENT

5 - APPLICATIONS

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : H1196 v1

Historique et terminologie
Architectures reconfigurables FPGA

Auteur(s) : Olivier SENTIEYS, Arnaud TISSERAND

Relu et validé le 10 févr. 2019

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RÉSUMÉ

Les circuits FPGA (Field Programmable Gate Arrays) sont programmables, ou configurables, par l'utilisateur après fabrication. Cet article s’attache à détailler leur architecture générique (blocs, interconnexions, processeurs, configuration). Il donne également des exemples de familles de FPGA (Altera, Xilinx, Actel/Microsemi, ou encore Achronix) et fournit des outils de développement comme les langages de description, la synthèse logique, la synthèse de haut niveau, le placement/routage.

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ABSTRACT

Reconfigurable architectures FPGA

The Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) circuits are programmable or configurable by the user after fabrication. This article details their generic architecture (blocs, interconnection, processors, configuration). It also provides examples of FPGA families ( (Altera, Xilinx, Actel/Microsemi and even Achronix) and development tools such as description languages, logic synthesis, high-level synthesis and placement/routing.

Auteur(s)

  • Olivier SENTIEYS : Professeur à l'École nationale supérieure des sciences appliquées et de technologie (ENSSAT) de l'Université de Rennes 1 à Lannion - Chercheur et responsable du département architecture et de l'équipe-projet CAIRN commune au laboratoire IRISA et au Centre de recherche INRIA Rennes – Bretagne Atlantique

  • Arnaud TISSERAND : Chercheur au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) dans le laboratoire IRISA et l'équipe-projet CAIRN à Lannion - Enseignant vacataire à l'École nationale supérieure des sciences appliquées et de technologie (ENSSAT) et l'École normale supérieure de Rennes

INTRODUCTION

Les FPGA (Field Programmable Gate Arrays) sont des circuits intégrés dont la fonctionnalité est entièrement programmable par l'utilisateur après fabrication. Ils constituent une alternative aux circuits ASIC (Application Specific Integrated Circuits) dont la fonctionnalité est totalement figée en fonderie.

Les FPGA sont un type particulier d'architecture reconfigurable. On parle de configuration pour leur processus de programmation. Différents types d'architectures reconfigurables se distinguent par le niveau de granularité des éléments programmables internes. Dans les FPGA, les éléments ont une fonctionnalité programmable à grain fin, c'est-à-dire pour chaque bit individuellement. Il existe des architectures reconfigurables à grain épais où la fonctionnalité est programmable au niveau des mots (par exemple 16 ou 32 bits).

Les FPGA utilisent les technologies les plus avancées disponibles à un moment donné (gravure 28 nm en 2012). Concevoir un ASIC dans ces technologies permettrait d'obtenir un système extrêmement performant, mais au prix d'un investissement colossal. Il faut, en effet, une équipe de conception importante, des outils coûteux et complexes, plusieurs mois de conception et enfin un budget important pour la fabrication. De plus, les délais de fabrication chez le fondeur peuvent être importants (quelques mois). Le temps de conception et vérification d'une solution FPGA est beaucoup plus court qu'en ASIC et nécessite moins d'efforts et de personnel. Bon nombre de détails techniques sont réglés par le fabricant du FPGA.

Les FPGA sont fabriqués en grands volumes, ce qui permet de partager les coûts de conception par tous les clients. Un FPGA coûte quelques euros, pour les plus simples, à quelques centaines (voire milliers) pour les plus complexes. Pour des petites séries, les FPGA sont bien plus accessibles que des ASIC. Bien entendu, pour des grands volumes, une solution ASIC est plus rentable.

Les mécanismes de configuration des FPGA réduisent les performances par rapport à des solutions ASIC. La vitesse est moindre et la consommation d'énergie supérieure. Mais le caractère reconfigurable permet d'optimiser le système dans le temps. On peut imaginer de mettre rapidement sur le marché une première solution, puis de l'améliorer dans le temps (Time-To-Market réduit) ou bien de supporter des nouveaux standards dans le temps sans devoir les « émuler » en logiciel.

Les FPGA fournissent les très hautes performances du matériel mais avec une utilisation simple et rapide par configuration logicielle. Ainsi, on les retrouve dans de nombreux domaines d'applications : calcul à hautes performances, systèmes embarqués, télécommunications, routeurs de réseaux, réseaux sans fil, traitement du signal et des images, imagerie médicale, vision par ordinateur, cryptologie, dispositifs de sécurité, capteurs biomédicaux, bioinformatique, prototypage de circuits, etc. Les FPGA sont devenus le support matériel de base de systèmes sur puce complets ou SoC (System on Chip). Toutes les fonctionnalités sont alors intégrées dans le FPGA.

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KEYWORDS

digital integrated circuit   |   programmable circuit   |   reconfigurable architecture   |   high performance   |   flexibility

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-h1196


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1. Historique et terminologie

Les circuits intégrés permettent d'atteindre des très hautes performances pour une faible consommation d'énergie comparativement à des solutions logicielles. Cela s'explique par la spécialisation des fonctionnalités intégrées dans le circuit. Par contre, un circuit intégré est dédié à une tâche, ou un petit ensemble de tâches, alors qu'un processeur a une flexibilité quasiment sans limite. Les architectures reconfigurables, en particulier les FPGA, offrent, dans une certaine mesure, des compromis entre flexibilité, coût et performances inaccessibles aux ASIC et aux processeurs.

Très tôt dans l'histoire de la micro-électronique, plusieurs dispositifs ont été proposés pour rendre les circuits intégrés plus flexibles par programmation ou configuration. Deux niveaux de programmation ont été proposés : une programmation directe et totale par l'utilisateur et une programmation partielle en fonderie.

  • Les premiers à apparaître furent les PLA (Programmable Logic Arrays ), des dispositifs très simples et totalement programmables par l'utilisateur. L'apparition de ces circuits date du début des années 1970. Leur principe est illustré en figure 1.

    Le « plan ET » est composé de deux réseaux de fils qui se croisent (sans contact avant configuration) : celui des fils des entrées xi (et leurs complémentaires ), et celui des fils en entrée des six portes ET. Le « plan OU » est composé de deux réseaux de fils : celui des produits pi et celui des entrées des deux portes OU.

    La configuration se fait en créant un contact électrique entre les fils des plans aux bons endroits (les petits carrés noirs sur la figure). La figure 1 illustre une configuration avec les produits :

    et les sorties :

    En...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HAUCK (S.), DEHON (A.), KAUFMANN (M.) -   Reconfigurable computing. The theory and practice of FPGA-Based Computation.  -  Systems on Silicon (2007).

  • (2) - TESSIER (R.), ROSE (J.), KUON (I.) -   FPGA architecture : survey and challenges.  -  Now Publishers Inc. (2008).

  • (3) - JOAO (M.P.), CARDOSO, DINIZ (P.C.) -   Compilation techniques for reconfigurable architectures.  -  Springer-Verlag, 2e éd. (2010).

  • (4) - BETZ (V.), ROSE (J.), MARQUARDT (A.) -   Architecture and CAD for deep-submicron FPGAs.  -  Kluwer Academic Publishers (1999).

  • (5) - WESTE (N.), HARRIS (D.) -   CMOS VLSI design : a circuits and systems perspective.  -  Addison Wesley, 4e éd. (2010) http://www.cmosvlsi.com/

  • (6) - FANET (H.) -   Micro et nano-électronique : bases, composants, circuits.  -  Dunod (2006).

  • ...

1 Outils logiciels

VPR : ensemble d'outils de CAO pour FPGA fait par l'Université de Toronto. Initialement spécialisés sur les phases de placement/routage. Aujourd'hui disponibles pour d'autres phases du flot de conception FPGA http://www.eecg.utoronto.ca/vpr/

Synplify : outil de synthèse logique pour circuits FPGA commercialisé par la société Synopsys capable d'effectuer des synthèses pour différents FPGA de différents fabricants http://www.synopsys.com

ISE : environnement de conception de la société Xilinx, permettant d'effectuer toutes les phases du flot de conception (synthèse, placement, routage, programmation, debug) pour les circuits FPGA Xilinx. Version limitée (webpack) disponible en téléchargement gratuit pour les petits circuits http://www.xilinx.com

Quartus : environnement de conception de la société Altera, permettant d'effectuer toutes les phases du flot de conception (synthèse, placement, routage, programmation, debug) pour les circuits FPGA Altera. Version limitée disponible en téléchargement gratuit pour une utilisation pendant 30 jours http://www.altera.com

OpenCores : blocs IP en open source http://opencores.org

Xilinx...

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