Микросхема, которая сделала аппаратное обеспечение перезаписываемым.

Многие из самых передовых электронных систем в мире, включая интернет-маршрутизаторы, беспроводные базовые станции, медицинские сканеры и некоторые инструменты искусственного интеллекта, основаны на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). ПЛИС — это компьютерные чипы с внутренними аппаратными схемами, которые можно переконфигурировать после изготовления.

12 марта на территории кампуса Advanced Micro Devices в Сан-Хосе, штат Калифорния, в здании бывшей штаб-квартиры Xilinx и на родине этой технологии, была открыта мемориальная доска IEEE, посвященная первой FPGA.

FPGA получила звание «Веха» благодаря внедрению итерационного подхода в проектирование полупроводниковых устройств. Инженеры могли многократно перепроектировать оборудование без изготовления нового чипа, что значительно снижало риски разработки и обеспечивало более быстрые инновации в условиях стремительного роста цен на полупроводники.

Церемония, организованная отделением IEEE в долине Санта-Клара, собрала профессионалов из полупроводниковой отрасли и руководство IEEE. Среди докладчиков на мероприятии был Стивен Тримбергер, член IEEE и ACM, чьи технические разработки помогли сформировать современную архитектуру FPGA. Тримбергер рассказал о том, как это изобретение позволило создать программно-управляемое оборудование.

Решение проблемы компромисса между гибкостью и производительностью вычислительных систем.

ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) появились в 1980-х годах для решения ключевого ограничения в вычислительной технике. Микропроцессор выполняет программные инструкции последовательно, что делает его гибким, но иногда слишком медленным для рабочих нагрузок, требующих множества операций одновременно.

На другом полюсе находятся специализированные интегральные схемы (ASIC) — микросхемы, предназначенные для выполнения только одной задачи. ASIC обеспечивают высокую эффективность, но требуют длительных циклов разработки и невозвратных инженерных затрат, представляющих собой значительные первоначальные инвестиции. Затраты включают проектирование микросхемы и подготовку её к производству — процесс, включающий создание подробных топологий, изготовление масок для производственных машин и настройку производственных линий для обработки этих миниатюрных схем.

«ASIC-микросхемы могут обеспечить наилучшую производительность, но цикл разработки длительный, а невозвратные инженерные затраты могут быть очень высокими», — говорит Джейсон Конг, член IEEE и профессор компьютерных наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «FPGA-микросхемы представляют собой золотую середину между процессорами и заказными микросхемами».

Фундаментальная работа Конга в области автоматизации проектирования FPGA и высокоуровневого синтеза изменила подход к программированию реконфигурируемых систем. Например, он разработал инструменты синтеза, которые преобразуют код на C/C++ в аппаратные проекты.

В основе его работы лежит основополагающий принцип, впервые сформулированный инженером-электриком Россом Фрименом: благодаря настройке аппаратного обеспечения с помощью программируемой памяти, встроенной в микросхему, ПЛИС сочетают в себе скорость аппаратного обеспечения с адаптивностью, традиционно присущей программному обеспечению.

Истоки Кремниевой долины: первая FPGA

Архитектура FPGA зародилась в середине 1980-х годов в компании Xilinx, основанной в 1984 году в Кремниевой долине. Изобретение широко приписывается Фримену, соучредителю Xilinx и техническому директору стартапа. Он задумал микросхему со схемотехникой, которую можно было бы конфигурировать после изготовления, а не фиксировать навсегда во время производства.

В статьях об истории FPGA подчеркивается, что он рассматривал ее как преднамеренный отход от традиционного проектирования микросхем.

В то время инженеры-полупроводники рассматривали транзисторы как дефицитный ресурс. Специализированные микросхемы тщательно оптимизировались таким образом, чтобы почти каждый транзистор выполнял определенную функцию.

Фриман предложил другой подход. Он предположил, что закон Мура вскоре изменит экономику производства микросхем. Этот принцип гласит, что количество транзисторов примерно удваивается каждые два года, что делает вычислительные системы дешевле и мощнее. Фриман предположил, что по мере увеличения количества транзисторов гибкость будет иметь большее значение, чем идеальная эффективность.

Он представлял себе устройство, состоящее из программируемых логических блоков, соединенных посредством конфигурируемой трассировки — микросхему, заполненную тем, что он описывал как «открытые затворы», готовые к настройке пользователями после изготовления. Вместо того чтобы навсегда закреплять аппаратную часть на кремниевом кристалле, инженеры могли бы конфигурировать и переконфигурировать схемы по мере изменения требований.

Фриман иногда сравнивал эту концепцию с чистой кассетой: производители предоставляли носитель, а инженеры определяли его функцию. Эта аналогия отражала глубокий сдвиг в том, кто контролирует технологию, передавая гибкость проектирования оборудования от предприятий по производству микросхем самим системным разработчикам.

В 1985 году компания Xilinx представила первую коммерчески доступную ПЛИС: XC2064. Устройство содержало 64 конфигурируемых логических блока — небольших цифровых схем, способных выполнять логические операции, — расположенных в сетке 8 на 8. Программируемые каналы маршрутизации позволяли инженерам определять, как сигналы перемещаются между блоками, фактически создавая пользовательскую схему с помощью программного обеспечения.

Созданный с использованием 2-микрометрового процесса (что означает, что 2 мкм — это минимальный размер элементов, которые можно было нанести на кремний с помощью фотолитографии), XC2064 реализовал несколько тысяч логических элементов. Современные FPGA могут содержать сотни миллионов элементов, что позволяет создавать гораздо более сложные конструкции. Тем не менее, XC2064 заложил основу для рабочего процесса проектирования, используемого и сегодня: инженеры описывают поведение оборудования в цифровом виде, а затем «компилируют проект» — процесс, который автоматически преобразует планы в инструкции, необходимые FPGA для настройки логических блоков и проводки, согласно AMD. Затем инженеры загружают эту конфигурацию на микросхему.

Прорыв: аппаратное обеспечение, определяемое памятью.

По словам Конга, более ранние программируемые логические устройства, такие как стираемая программируемая постоянная память (EPROM), допускали ограниченную возможность индивидуальной настройки, но в основном полагались на фиксированные структуры проводников, которые плохо масштабировались по мере усложнения схем.

В ПЛИС были введены программируемые межсоединения — сети электронных переключателей, управляемые ячейками памяти, распределенными по всему чипу. При включении устройство загружает файл конфигурации битового потока, определяющий поведение его внутренних схем.

«По мере совершенствования технологических процессов и увеличения количества транзисторов стоимость программирования стала гораздо менее значительной», — говорит Конг.

От «логики связи» до важнейшей инфраструктуры

«Изначально ПЛИС использовались в качестве того, что инженеры называли связующей логикой», — говорит Конг.

Как сообщает PC Magazine, «склеивающая логика» — это простые схемы, соединяющие процессоры, память и периферийные устройства для обеспечения надежной работы системы. Другими словами, она «склеивает» различные компоненты, особенно когда интерфейсы часто меняются.

Первые пользователи оценили преимущества аппаратного обеспечения, способного адаптироваться по мере развития стандартов. В статье «История, состояние и будущее FPGA», опубликованной в журнале Communications of the ACM, инженеры Xilinx и таких организаций, как Bell Labs, Fairchild Semiconductor, IBM и Sun Microsystems, заявили, что первыми FPGA стали для прототипирования ASIC. Они также использовали их для проверки сложных систем, запуская свое программное обеспечение перед изготовлением, что позволяло компаниям выпускать специализированные продукты, производимые в небольших объемах.

Эти примеры использования выявили более масштабную тенденцию: после развертывания оборудование больше не обязательно должно оставаться стационарным.

На церемонии открытия памятной таблички присутствовали (сидят слева направо) президент IEEE 2025 года Кэтлин Крамер, президент IEEE 2024 года Том Кофлин и председатель комитета по памятным знакам секции долины Санта-Клара Брайан Берг. (Фото: Дуглас Пек/AMD)

Экономические аспекты полупроводниковой промышленности изменили ситуацию.

По словам Конга, появление FPGA-микросхем тесно связано с изменениями в экономике полупроводниковой промышленности.

Разработка специализированного чипа требует значительных первоначальных инвестиций до начала производства. По мере роста себестоимости изготовления, продукцию приходилось поставлять в больших количествах, чтобы сделать разработку ASIC экономически целесообразной, говорится в сообщении, опубликованном компанией AnySilicon.

FPGA-микросхемы позволили разработчикам двигаться вперед без таких больших финансовых затрат.

Разработка ASIC обычно занимает от 18 до 24 месяцев от концепции до создания кремниевой микросхемы, в то время как реализация на FPGA часто может быть завершена за три-шесть месяцев с использованием современных инструментов проектирования, говорит Конг. Более короткий цикл и возможность переконфигурации оборудования позволили стартапам, университетам и производителям оборудования экспериментировать с передовыми архитектурами, которые ранее были доступны в основном крупным компаниям-производителям микросхем.

Таблицы поиска и развитие реконфигурируемых вычислительных систем

Популярным методом реализации математических функций в аппаратном обеспечении является использование таблиц поиска (LUT). Согласно статье «LUT-LLM: Эффективный вывод больших языковых моделей с помощью вычислений на основе памяти на ПЛИС», выбранной для презентации в следующем месяце на 34-м Международном симпозиуме IEEE по программируемым пользователем вычислительным машинам (FCCM), LUT представляет собой небольшой элемент памяти, хранящий результаты логических операций.

Вместо многократного пересчета результатов, чип извлекает ответы непосредственно из памяти. Конг сравнивает этот подход с обращением к таблице умножения вместо повторного вычисления арифметических действий каждый раз.

Исследования, проведенные Конгом и другими, помогли разработать эффективные методы отображения цифровых схем на архитектуры, основанные на таблицах поиска (LUT), что повлияло на стратегии трассировки и компоновки, используемые в современных устройствах.

По мере расширения возможностей транзисторных схем производители FPGA интегрировали блоки памяти, блоки цифровой обработки сигналов, высокоскоростные коммуникационные интерфейсы, криптографические механизмы и встроенные процессоры, превратив эти устройства в универсальные вычислительные платформы.

Почему логические матрицы отличаются от центральных процессоров, графических процессоров и специализированных интегральных схем?

FPGA-микросхемы сосуществуют с другими процессорами, поскольку каждая из них оптимизирует разные приоритеты. Центральные процессоры превосходно справляются с общими вычислениями. Графические процессоры, предназначенные для одновременного выполнения множества вычислений, доминируют в больших параллельных задачах, таких как обучение ИИ. ASIC-микросхемы обеспечивают максимальную эффективность, когда конструкции остаются стабильными, а объемы производства высоки.

«ASIC-микросхемы могут обеспечить наилучшую производительность, но цикл разработки длительный, а невозвратные инженерные затраты могут быть очень высокими. FPGA-микросхемы представляют собой золотую середину между процессорами и специализированными микросхемами». — Джейсон Конг, член IEEE и профессор компьютерных наук в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.

«FPGA-чипы не заменяют центральные или графические процессоры, — говорит Конг. — Они дополняют эти процессоры в гетерогенных вычислительных системах».

Современные вычислительные платформы все чаще объединяют несколько типов процессоров для достижения баланса между гибкостью, производительностью и энергоэффективностью.

Важный этап в развитии идеи, а не просто устройства.

Эта важная веха в рейтинге IEEE отмечает не только успех полупроводникового продукта, но и изменение подхода инженеров к инновациям.

Реконфигурируемое оборудование позволяет разработчикам быстро тестировать идеи, совершенствовать архитектуру и развертывать системы по мере развития стандартов и рынков.

«Без ПЛИС, — говорит Конг, — темпы внедрения аппаратных инноваций, вероятно, были бы намного медленнее».

Спустя четыре десятилетия после появления первой FPGA, непреходящее наследие этой технологии отражает проницательность Фримена: аппаратное обеспечение не должно было оставаться неизменным. Принимая небольшое количество неиспользуемого кремния в обмен на адаптивность, инженеры превратили микросхемы из статичных продуктов в платформы для непрерывных экспериментов, превратив сам кремний в среду, которую инженеры могли переписывать.

Среди тех, кто присутствовал на церемонии, посвященной знаменательным событиям, были президент IEEE 2025 года Кэтлин Крамер; президент IEEE 2024 года Том Кофлин; Эйвери Лу, председатель секции IEEE долины Санта-Клара; и Брайан Берг, председатель комитета по истории и знаменательным событиям 6-го региона IEEE. К ним присоединились генеральный директор AMD Лиза Су и Салил Радже, старший вице-президент и генеральный директор подразделения адаптивных и встроенных вычислительных систем AMD.

На мемориальной доске IEEE Milestone, посвященной программируемой пользователем вентильной матрице, написано:

«FPGA — это интегральная схема с программируемыми пользователем булевыми логическими функциями и межсоединениями. Изобретатель FPGA Росс Фриман стал соучредителем компании Xilinx, чтобы коммерциализировать свое изобретение 1984 года, и в 1985 году была представлена модель XC2064 с 64 программируемыми 4-входовыми логическими функциями. FPGA от Xilinx помогли ускорить кардинальные изменения в отрасли, когда компании, не имеющие собственных производственных мощностей, смогли использовать программные инструменты для проектирования аппаратного обеспечения, привлекая компании-производители для выполнения капиталоемкой задачи производства программно-определяемого оборудования».

Программа IEEE Milestone, администрируемая Историческим центром IEEE и поддерживаемая спонсорами, отмечает выдающиеся технические разработки со всего мира, которым не менее 25 лет.

Посмотрите канал Spectrum «История технологий», чтобы узнать больше о ключевых достижениях в области инженерии.