Field Programmable Gate Array: differenze tra le versioni

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[[File:Altera Flex EPF10K20 20000 cell FPGA.jpg|thumb|FPGA contenente 20.000 [[porta logica|porte logiche]]]]

Un '''Field Programmable Gate Array''' (solitamente abbreviato in '''FPGA'''), in [[elettronica digitale]], indicaè un [[dispositivo logico programmabile]] ovvero genericamente un [[dispositivo (informatica)|dispositivo]] [[hardware]] elettronico

formato da un [[circuito integrato]] le cui funzionalità logiche di elaborazione sono appositamente [[programmazione (informatica)|programmabili]] viae modificabili tramite opportuni [[linguaggio di descrizione hardware|linguaggi di descrizione dell'hardware]].

==Storia ==

{{Vedi anche|Programmable Logic Device}}

Andamento negli anni del numero di porte logiche presenti su circuiti FPGA:

I componenti FPGA sono stati introdotti nella seconda metà degli [[anni '80]] come terza generazione di PLD ([[Programmable Logic Device]]), sviluppati presso i laboratori della [[Harris Semiconductor]]. Ulteriori sviluppi vennero realizzati con le [[Read Only Memory]], delle memorie [[CMOS]] e delle tecnologie [[antifuse]] che vennero tutte implementate in tali dispositivi.

A partire dalla seconda metà degli [[anni '80]], dopo i primi modelli prodotti da [[Altera]] e la realizzazione dell'XC2064 di [[Xilinx]] e l'implementazione della [[SRAM]] su larga scala negli [[anni '90]], l’industria del settore ha avuto una forte espansione, grazie anche ai continui progressi tecnologici nel settore dei [[semiconduttori]], raggiungendo nel 2005 una quota di mercato vicina ai 2 miliardi di dollari.

* 1982: 8192 porte logiche; Burroughs Advances Systems Group; processore S-Type 24 bit per I/O riprogrammabili.

* 1987: 9,000 porte logiche, Xilinx

* 1992: 600 000 porte logiche, Naval Surface Warfare Department

* 2000-2010: Milioni.

== Caratteristiche ==

Dimensione del mercato:

=== Tipologia ===

Esistono diversi tipi di FPGA, che comprendono sia dispositivi programmabili una sola volta, sia dispositivi riprogrammabili un grande numero di volte. I primi, detti [[Programmable Read Only Memory|OTP]] (''One Time Programmable''), sono costituiti da componenti il cui stato di funzionamento cambia in modo permanente, permettendo di mantenere la configurazione allo spegnimento del dispositivo. Alla seconda categoria appartengono i dispostividispositivi basati su tecnologia [[SRAM]] (''Static Random Access Memory''), i quali devono essere riprogrammati ad ogni accensione, avendo una memoria di configurazione volatile.

I circuiti FPGA sono elementi che presentano caratteristiche intermedie rispetto ai dispositivi [[Application specific integrated circuit|ASIC]] (''Application Specific Integrated Circuit'') da un lato e a quelli con architettura [[Programmable Array Logic|PAL]] (''Programmable Array Logic'') dall'altro. L'uso di componenti FPGA comporta alcuni vantaggi rispetto agli ASIC: si tratta infatti di dispositivi standard la cui funzionalità da implementare non viene impostata dal produttore, il quale può quindi produrre su larga scala a basso prezzo. La loro genericità li rende adatti a un gran numero di applicazioni comein ambito ''consumer'', comunicazioni, ''automotive'' eccetera. Essi sono programmati direttamente dall'utente finale, consentendo la diminuzione dei tempi di progettazione, di verifica mediante simulazioni e di prova sul campo dell'applicazione. Il grande vantaggio rispetto agli ASIC è che permettono di apportare eventuali modifiche o correggere errori semplicemente riprogrammando il dispositivo in qualsiasi momento. Per questo motivo sono utilizzati ampiamente nelle fasi di [[prototipizzazione]], in quanto eventuali errori possono essere risolti semplicemente riconfigurando il dispositivo. L'ambiente di progettazione è anche più ''[[user-friendly]]'' e di relativamente facile apprendimento. Di contro, per applicazioni su grandi numeri sono antieconomici, perché il prezzo unitario del dispositivo è superiore a quello degli ASIC (i quali hanno spesso, però, più elevati costi di progettazione).

* 1985: Il primo dispositivo FPGA in commercio è stato XC2064 di Xilinx.

* 1987: 14 000 000 $

* ~1993: >385 000 000 $

* 2005: 1.9 miliardi di dollari.<ref name="instat">Dylan McGrath, EE Times, ''[http://www.eetimes.com/news/design/business/showArticle.jhtml?articleID=188102617 FPGA Market to Pass $2.7 Billion by '10, In-Stat Says]''. May 24, 2006. Retrieved February 5, 2009.</ref>

* 2010: 2.75 miliardi.<ref name="instat"/>

* 2020: si stima un mercato di 8.5 miliardi di dollari.

==Descrizione==

Il costo di tali dispositivi è oggi in rapida diminuzione: ciò li rende sempre di più una valida alternativa alla tecnologia [[standard cell]]. Usualmente vengono programmati con linguaggi come il [[Verilog]] o il [[VHDL]], ma non bisogna dimenticare la modalità "''schematic-entry''", che consente un approccio veloce e semplificato a tale tecnologia pur essendo di pari potenzialità. Molte case costruttrici (ad esempio [[Xilinx]] e [[Altera]]) forniscono gratuitamente sistemi di sviluppo che supportano quasi tutta la loro gamma di prodotti.

Esistono diversi tipi di FPGA, che comprendono sia dispositivi programmabili una sola volta, sia dispositivi riprogrammabili un grande numero di volte. I primi, detti [[Programmable Read Only Memory|OTP]] (''One Time Programmable''), sono costituiti da componenti il cui stato di funzionamento cambia in modo permanente, permettendo di mantenere la configurazione allo spegnimento del dispositivo. Alla seconda categoria appartengono i dispostivi basati su tecnologia [[SRAM]] (''Static Random Access Memory''), i quali devono essere riprogrammati ad ogni accensione, avendo una memoria di configurazione volatile.

Grazie alla versatilità di questi processori si stanno allargando i campi di utilizzo in diversi settori per i quali queste schede inizialmente non erano state progettate: ad esempio per l'attività di mining delle criptovalute, un campo inizialmente combattuto solo dai processori ASIC e dalle GPU.

I circuiti FPGA sono elementi che presentano caratteristiche intermedie rispetto ai dispositivi [[Application specific integrated circuit|ASIC]] (''Application Specific Integrated Circuit'') da un lato e a quelli con architettura [[Programmable Array Logic|PAL]] (''Programmable Array Logic'') dall'altro. L'uso di componenti FPGA comporta alcuni vantaggi rispetto agli ASIC: si tratta infatti di dispositivi standard la cui funzionalità da implementare non viene impostata dal produttore, il quale può quindi produrre su larga scala a basso prezzo. La loro genericità li rende adatti a un gran numero di applicazioni come ''consumer'', comunicazioni, ''automotive'' eccetera. Essi sono programmati direttamente dall'utente finale, consentendo la diminuzione dei tempi di progettazione, di verifica mediante simulazioni e di prova sul campo dell'applicazione. Il grande vantaggio rispetto agli ASIC è che permettono di apportare eventuali modifiche o correggere errori semplicemente riprogrammando il dispositivo in qualsiasi momento. Per questo motivo sono utilizzati ampiamente nelle fasi di [[prototipizzazione]], in quanto eventuali errori possono essere risolti semplicemente riconfigurando il dispositivo. L'ambiente di progettazione è anche più ''[[user-friendly]]'' e di relativamente facile apprendimento. Di contro, per applicazioni su grandi numeri sono antieconomici, perché il prezzo unitario del dispositivo è superiore a quello degli ASIC (i quali hanno spesso, però, più elevati costi di progettazione).

===PrincipaliLe principali tecnologie===

Il costo di tali dispositivi è oggi in rapida diminuzione: ciò li rende sempre di più una valida alternativa alla tecnologia [[standard cell]]. Usualmente vengono programmati con linguaggi come il [[Verilog]] o il [[VHDL]], ma non bisogna dimenticare la modalità "''schematic-entry''", che consente un approccio veloce e semplificato a tale tecnologia pur essendo di pari potenzialità. Molte case costruttrici (ad esempio [[Xilinx]] e [[Altera]]) forniscono gratuitamente sistemi di sviluppo che supportano quasi tutta la loro gamma di prodotti.

===Principali tecnologie===

* [[SRAM]] - Tecnologia basata su tecnologia a memoria statica [[CMOS]], in uso. Le SRAM-FPGA sono programmabili e riprogrammabili molte volte, e richiedono l'utilizzo di dispositivi esterni per essere configurate.

* [[Antifusibile]] - Circuiti programmabili una sola volta (''One-time programmable''); CMOS.

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* [[Memoria flash|Flash]] - Tecnologia EPROM basata su memoria flash, si tratta di dispositivi che possono essere riprogrammati. Solitamente una cella di memoria flash è più piccola di una equivalente cella EEPROM, ed è anche meno costosa da fabbricare. CMOS.

* [[Fusibile]] - Circuiti programmabili una sola volta; bipolare; obsoleta.

===Principali produttori===

[[Xilinx]] e [[Altera]] sono (2014) i due maggiori fabbricatori di FPGA.<ref>{{Cita web |nome=John |cognome=Edwards |sito=EDN |url=http://www.edn.com/article/CA6339519.html |titolo=No room for Second Place: Xilinx and Altera slug it out for supremacy in the changing PLD market |data=1º giugno 2006 |accesso=11 maggio 2012 |urlmorto=sì |urlarchivio=https://archive.is/20120728124831/http://www.edn.com/article/CA6339519.html |dataarchivio=28 luglio 2012 }}</ref> Le due aziende sono rivali "storiche", e insieme controllano oltre l'80% del mercato.<ref>{{Cita web|sito=Seeking Alpha|url=http://seekingalpha.com/article/85478-altera-and-xilinx-report-the-battle-continues|titolo= Altera and Xilinx Report: The Battle Continues|data=17 luglio 2008|anno=2008|accesso=13 novembre 2013}}</ref>

Sia Xilinx sia Altera forniscono il relativo software di sviluppo per [[Microsoft Windows|Windows]] e [[Linux]], in versioni gratuite o a pagamento, e con licenza [[Software proprietario|proprietaria]]<ref>{{Cita web|nome=Xilinx Inc.|sito=Xilinx.com|url=http://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/end-user-license-agreement.txt|titolo=End User License Agreement|accesso=15 ottobre 2015|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20151017142617/http://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/end-user-license-agreement.txt|dataarchivio=17 ottobre 2015}}</ref><ref>

{{Cita web|nome=Altera Corporation|sito=dl.Altera.com|url=http://dl.altera.com/eula/|titolo=Altera Software License Agreements|accesso=15 ottobre 2015}}</ref>. Questo software consente l'implementazione della logica nel dispositivo e rende possibile la gestione delle singole risorse.<ref>{{Cita web|titolo=Xilinx ISE WebPACK|url=http://www.xilinx.com/ise/logic_design_prod/webpack.htm|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20070624212612/http://www.xilinx.com/ise/logic_design_prod/webpack.htm|dataarchivio=24 giugno 2007}}</ref><ref>{{Cita web|titolo=Quartus II Web edition software|url=https://www.altera.com/support/software/download/altera_design/quartus_we/dnl-quartus_we.jsp}}</ref> Tra gli altri produttori vi sono [[Lattice Semiconductor]] (dispositivi SRAM con memorie flash integrate) [[Actel]] (ora [[Microsemi]], produce dispositivi antifuse), [[SiliconBlue Technologies]], [[Achronix]],<ref>{{Cita web|titolo=Achronix to use Intel's 22&nbsp;nm manufacturing|url=http://newsroom.intel.com/community/intel_newsroom/blog/2010/11/01/chip-shot-achronix-to-use-intel-s-22nm-manufacturing}}</ref> e [[QuickLogic]]. Nel marzo 2010, [[Tabula (azienda)|Tabula]] annuncia l'introduzione della propria tecnologia basata su logica time-multiplexed.<ref>{{Cita web |titolo=Tabula's Time Machine - Micro Processor Report |url=http://www.tabula.com/news/M11_Tabula_Reprint.pdf |urlmorto=sì |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20110410094902/http://www.tabula.com/news/M11_Tabula_Reprint.pdf |dataarchivio=10 aprile 2011 }}</ref>

==Struttura==

[[File:FPGA cell example.png|thumb|upright=1.6|Descrizione semplificata di una ''logic cell'', in cui sono mostrate due [[Look-UpLookup Tabletable|LUT]] a 3 input, un [[full-adder]] (FA) e un [[flip-flop]] di tipo D.]]

[[Image:switch box.svg|thumb|upright=1.6|Le matrici di scambio (''switch matrix'') sono costituite da pass-transistor programmabili finalizzati all'instradamento dei segnali all'interno dell'organizzazione matriciale che costituisce l'FPGA]]

La struttura di un FPGA è in generale costituita da una matrice di blocchi logici configurabili, detti CLB (''Configurable Logic Blocks''), connessi fra loro attraverso interconnessioni programmabili. Ai margini di tale matrice vi sono i blocchi di ingresso/uscita, detti IOB (''Input Output Block''). I CLB realizzano le funzioni logiche, l'insieme di interconnessioni li mette in comunicazione, mentre gli IOB si occupano dell'interfacciamento del circuito con l'esterno. All'interno di tale matrice sono presenti anche altri tipi di risorsa, come i DCM (''Digital Clock Manager''), che generano il segnale di [[clock]], la rete che trasporta il segnale di clock dai flip-flop ai CLB ed altre risorse di calcolo, come ad esempio le [[Unità aritmetica e logica|ALU]] (''Arithmetic Logic Unit''), e risorse di memoria distribuita. Ciascuno di questi elementi costitutivi ha un modello di funzionamento specifico, che riveste notevole importanza nella comprensione del corretto funzionamento del dispositivo.

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I blocchi CLB sono composti solitamente da due o quattro celle logiche (''logic cell''), che eseguono le [[Funzione booleana|operazioni booleane]]. Ogni logic cell è solitamente composta da una o più [[Lookup table|LUT]] (''Look-up Table'') programmabili. Le LUT sono utilizzate per implementare funzioni booleane generalizzate, e sono solitamente accompagnate da un registro. L'insieme di questi elementi è detto ''logic cell'', e rappresenta uno dei parametri più importanti nella valutazione della potenzialità di un FPGA.

I CLB possono essere connessi fra loro, permettendo così di realizzare funzioni booleane complesse. Le LUT sono composte da una memoria SRAM da 16 bit e da un multiplexer a 4 ingressi: una volta configurate possono generare qualsiasi funzione logica a quattro ingressi ciascuna. Vi sono anche le interconnessioni relative alla logica di set/reset e chip enable, ai segnali di clock, e ai segnali provenienti dalle altre slice del dispositivo. La scelta di utilizzare LUT a soli quattro ingressi risiede nel fatto che la complessità di una LUT cresce esponenzialmente all'aumentare del numero di ingressi, e risulta dunque poco gestibile.

Raggruppare insieme alcune LUT in un CLB e di connetterle con una rete locale di interconnessioni consente infatti una maggiore velocità, dovuta al fatto che questi tipo di interconnessione è più veloce di quella generale tra blocchi logici distinti. Il CLB è inoltre dimensionato al fine di ottimizzare il numero di connessioni locali e globali in funzione dell'area occupata: CLB troppo grandi implicano che l'area necessaria per le interconnessioni locali superi quella risparmiata grazie al raggruppamento delle LUT contenute in esse. Lungo il perimetro dei blocchi logici vi sono infine i pin di ingresso e uscita, collegati all'interconnessione adiacente tramite transistor programmabili.

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== Utilizzo ==

Tali dispositivi consentono la realizzazione di [[Funzione booleana|funzioni logiche]] anche molto complesse, e sono caratterizzati da un'elevata [[scalabilità]]. Questo tipo di tecnologia ha assunto un ruolo sempre più importante nell'elettronica industriale così come nella [[ricerca scientifica]]. Grazie al continuo progredire delle tecniche di miniaturizzazione, le capacità di tali dispositivi sono aumentate enormemente nel corso di due soli decenni, durante i quali si è passati da poche migliaia di [[Porta logica|porte logiche]] a qualche milione di porte logiche per singolo dispositivo FPGA.

== Dati sulla diffusione==

=== Cronologia dell'incremento sull'utilizzo ===

Andamento negli anni del numero di porte logiche presenti su circuiti FPGA:

* 1982: 8192 porte logiche; Burroughs Advances Systems Group; processore S-Type 24 bit per I/O riprogrammabili.

* 1987: 9,000 porte logiche, Xilinx

* 1992: 600 000 porte logiche, Naval Surface Warfare Department

* 2000-2010: Milioni.

* 2019: 10.2 milioni (Intel Stratix GX 10M)

Dimensione del mercato:

* 1985: Il primo dispositivo FPGA in commercio è stato XC2064 di Xilinx.

* 1987: 14 000 000 $

* ~1993: >385 000 000 $

* 2005: 1.9 miliardi di dollari.<ref name="instat">Dylan McGrath, EE Times, ''[http://www.eetimes.com/news/design/business/showArticle.jhtml?articleID=188102617 FPGA Market to Pass $2.7 Billion by '10, In-Stat Says] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110615022908/http://www.eetimes.com/news/design/business/showArticle.jhtml?articleID=188102617 |data=15 giugno 2011 }}''. May 24, 2006. Retrieved February 5, 2009.</ref>

* 2010: 2.75 miliardi.<ref name="instat"/>

* 2020: si stima un mercato di 8.5 miliardi di dollari.

===Principali I principali produttori ===

[[Xilinx]] e [[Altera]] sonoal (2014) erano i due maggiori fabbricatori di FPGA.<ref>{{Cita web |nome=John |cognome=Edwards |sito=EDN |url=http://www.edn.com/article/CA6339519.html |titolo=No room for Second Place: Xilinx and Altera slug it out for supremacy in the changing PLD market |data=1º giugno 2006 |accesso=11 maggio 2012 |urlmorto=sì |urlarchivio=https://archive.is/20120728124831/http://www.edn.com/article/CA6339519.html |dataarchivio=28 luglio 2012 }}</ref> Le due aziende sono rivali "storiche", e insieme controllano oltre l'80% del mercato.<ref>{{Cita web|sito=Seeking Alpha|url=http://seekingalpha.com/article/85478-altera-and-xilinx-report-the-battle-continues|titolo= Altera and Xilinx Report: The Battle Continues|data=17 luglio 2008|anno=2008|accesso=13 novembre 2013}}</ref>

Sia Xilinx sia Altera forniscono il relativo software di sviluppo per [[Microsoft Windows|Windows]] e [[Linux]], in versioni gratuite o a pagamento, e con licenza [[Software proprietario|proprietaria]]<ref>{{Cita web|nome=Xilinx Inc.|sito=Xilinx.com|url=http://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/end-user-license-agreement.txt|titolo=End User License Agreement|accesso=15 ottobre 2015|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20151017142617/http://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/end-user-license-agreement.txt|dataarchivio=17 ottobre 2015}}</ref><ref>

{{Cita web|nome=Altera Corporation|sito=dl.Altera.com|url=http://dl.altera.com/eula/|titolo=Altera Software License Agreements|accesso=15 ottobre 2015}}</ref>. Questo software consente l'implementazione della logica nel dispositivo e rende possibile la gestione delle singole risorse.<ref>{{Cita web|titolo=Xilinx ISE WebPACK|url=http://www.xilinx.com/ise/logic_design_prod/webpack.htm|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20070624212612/http://www.xilinx.com/ise/logic_design_prod/webpack.htm|dataarchivio=24 giugno 2007}}</ref><ref>{{Cita web|titolo=Quartus II Web edition software|url=https://www.altera.com/support/software/download/altera_design/quartus_we/dnl-quartus_we.jsp|accesso=1º gennaio 2014|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20071203074531/https://www.altera.com/support/software/download/altera_design/quartus_we/dnl-quartus_we.jsp|dataarchivio=3 dicembre 2007|urlmorto=sì}}</ref> Tra gli altri produttori vi sono [[Lattice Semiconductor]] (dispositivi SRAM con memorie flash integrate) [[Actel]] (ora [[Microsemi]], produce dispositivi antifuse), [[SiliconBlue Technologies]], [[Achronix]],<ref>{{Cita web|titolo=Achronix to use Intel's 22&nbsp;nm manufacturing|url=httphttps://newsroom.intel.com/community/intel_newsroom/blog/2010/11/01/chip-shot-achronix-to-use-intel-s-22nm-manufacturing}}</ref> e [[QuickLogic]]. Nel marzo 2010, [[Tabula (azienda)|Tabula]] annuncia l'introduzione della propria tecnologia basata su logica time-multiplexed.<ref>{{Cita web |titolo=Tabula's Time Machine - Micro Processor Report |url=http://www.tabula.com/news/M11_Tabula_Reprint.pdf |urlmorto=sì |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20110410094902/http://www.tabula.com/news/M11_Tabula_Reprint.pdf |dataarchivio=10 aprile 2011 }}</ref>

==Note==

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== Voci correlate ==

* [[Altera]]

* [[Antifusibile]]

* [[Gate array]]

* [[Handel-C]] - linguaggio che si basa sul C, progettato per i FPGA

* [[Linguaggio di descrizione hardware]]

* [[Programmable logicLogic deviceArray]]

* [[Programmable Logic Device]]

* [[Programmable Read Only Memory]]

* [[SRAM]]

* [[Verilog]]

* [[VHDL]]

* [[Xilinx]]

== Altri progetti ==

{{interprogetto|preposizione=sul|wikt=FPGA|wikt_etichetta=FPGA}}

== Collegamenti esterni ==

* {{Collegamenti esterni}}

* {{cita web|http://electro-logic.blogspot.it/p/indice-articoli.html|Articoli sulle FPGA}}

* {{FOLDOC|2=field-programmable gate array}}

* {{cita web|httphttps://electro-logic.blogspot.it/p/indice-articoli.html|Articoli sulle FPGA}}

* [https://www.youtube.com/watch?v=keAftEcTZKA ''ASIC e FPGA - Le differenze che contano davvero'']'', YouTube''

* {{cita web|1=http://rcs.uncc.edu/|2=University of North Carolina at Charlotte's Reconfigurable Computing Laboratory|lingua=en|accesso=1º gennaio 2014|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20130820024712/http://rcs.uncc.edu/|dataarchivio=20 agosto 2013|urlmorto=sì}}

* {{cita web|http://www.eecg.toronto.edu/~vaughn/challenge/fpga_arch.html|Vaughn Betz's FPGA Architecture Page|lingua=en}}

* {{cita web|1=http://www.fpgacenter.com/|2=Tutorials and Examples on FPGAs|lingua=en|accesso=1 gennaio 2014|dataarchivio=5 gennaio 2014|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20140105120901/http://fpgacenter.com/|urlmorto=sì}}

{{Logica programmabile}}

{{Controllo di autorità}}

{{Portale|elettronicainformatica|elettrotecnicaelettronica}}

[[Categoria:Circuiti elettronici configurabili]]