Das FPGA-Kochbuch

"In den letzten Jahren hat kaum eine Schaltkreis-Familie so große Bedeutung erlangt wie die logischen TTL-Schaltungen." So beginnt das Vorwort des legendären TTL-Kochbuchs von 1972. Dieser Satz war damals bestimmt zutreffend, denn die integrierten TTL-Schaltkreise stellten einen wichtigen Fortschritt dar, mußten doch zuvor die Logikschaltungen noch aus diskreten Transistoren aufgebaut werden. Ein zumindest genau so wichtiger Meilenstein in der Entwicklung der Digitaltechnik ist die Einführung der programmierbaren Logik. Wurde zuvor die anwendungsspezifische Funktion einer Schaltung entweder durch die Auswahl geeigneter Standardbauteile und deren Verdrahtung auf einer Platine oder durch die Herstellung einer speziellen integrierten Schaltung erreicht, so kann nun der Anwender erstmals die Verschaltung in einem IC selbst kontrollieren.

Nachdem die einfachen PLDs (Programmable Logic Device) schon länger eingeführt sind und sich bewährt haben, wurde Mitte der 80er Jahre das erste FPGA (Field Programmable Gate Array) eingeführt. Diese vom Anwender im (Anwendungs-) Feld programmierbaren Bausteine haben einen ähnlichen Aufbau wie die zu den ASICs (Application Specific Integrated Circuit) zählenden Gate Arrays: vorkonfigurierte Logik-Gatter (Gates) oder Logik-Blöcke sind in einer regelmäßigen Struktur (Array) auf dem Chip angeordnet. Durch die Verschaltung dieser Gatter wird die anwendungsspezifische Funktion realisiert. Während bei den Gate Arrays diese Verschaltung im letzten Fertigungsschritt beim Halbleiterhersteller geschieht, wird sie bei den FPGAs vom Anwender programmiert. Außerdem können im FPGA die Funktionen der einzelnen Logikblöcke programmiert werden.

Seit der ersten kommerziellen Einführung im Jahr 1985 sind die FPGAs eines der am schnellsten wachsenden Marktsegmente der Halbleiterindustrie. Damals war kaum vorstellbar, daß diese "sonderbaren Bausteine" überhaupt eine sinnvolle Anwendung finden und nicht nach kurzer Zeit wieder von der Bildfläche verschwinden würden. Mit weniger als 1.000 Gatteräquivalenten waren die Möglichkeiten der FPGAs damals auch recht bescheiden. Für den Entwickler von Rechnerplatinen reichten PLDs zur Dekodierung der Adressleitungen als Glue-Logik aus. Andererseits erschienen den ASIC-Entwicklern die FPGAs als kleine "Spielzeug-Bausteine", zu teuer, zu langsam, zu hoch im Stromverbrauch und bestimmt auch zu unsicher.

Die FPGAs sind inzwischen ihren Kinderschuhen entwachsen: Logikdichte, Geschwindigkeit und Verdrahtbarkeit wurden entscheidend verbessert. Waren die Bausteine in der Vergangenheit sehr teuer, so reicht die Preisspanne mittlerweile bis auf wenige DM herunter. Die neuesten, hochkomplexen Bausteine bieten immer höhere Gatterzahlen. Diese leistungsfähigen Bausteine haben natürlich auch ihre Anwendung gefunden. Sie stellen dabei nicht nur einen Ersatz für konventionelle Entwurfslösungen dar, sondern haben eine Tür zu ganz neuen Anwendungen geöffnet. Die drei wichtigsten sollen hier kurz genannt werden:

1. FPGAs dienen nicht mehr nur zur Realisierung von logischen Verknüpfungen und Schaltwerken. Vielmehr lassen sich inzwischen problemlos Datenverarbeitungs-Algorithmen und auch vollständige Prozessoren in FPGAs realisieren. Mit Hilfe dieser anwendungsspezifischen Prozessoren (ASIP, Application Specific Instruction Set Processor) kann eine wesentliche Beschleunigung der Datenverarbeitung erreicht werden, da alle Parameter des Prozessors wie Befehlssatz, Registersatz oder Datenbusbreiten optimal an das Problem angepaßt werden können. Einen weiteren Ansatz stellen die Custom Computing Machines (CCM) dar. Diese nutzen die Ressourcen eines FPGA zur Realisierung von hoch-parallelen Hardware-Strukturen zur beschleunigten Datenverarbeitung.
2. Programmierbare FPGAs auf SRAM-Basis sind rekonfigurierbar. Während des Betriebs kann eine neue Konfiguration in das FPGA geladen und damit die Struktur der Hardware verändert werden. Die Hardware ist damit "weich" geworden. Neuere Bausteine bieten sogar die Möglichkeit der dynamischen und teilweisen Rekonfigurierung. Dabei bleiben die Zustände der Datenspeicher in dem FPGA erhalten, so daß nun auch die Operatoren zu den Daten wandern können, statt wie bisher üblich, die Daten zu den Operatoren. So wie ein klassischer von-Neumann-Rechner sein Programm lädt, wird zur Bearbeitung einer bestimmten Aufgabe die entsprechende Konfiguration in das FPGA geladen. Eine Hardware läßt sich also für verschiedene Aufgaben nutzen. Der nächste Schritt in die Zukunft wäre die adaptive, sich selbst konfigurierende Hardware.
3. Zur Verifikation eines Gesamtsystems ist oft der Aufbau eines Prototypen unerläßlich. Hierfür eignen sich FPGAs ideal, da sie eine sehr schnelle Realisierung des Prototypen ermöglichen (Rapid Prototyping). Bisher war es jedoch alleinige Domäne der Digitaltechnik, Prototyp-Lösungen anzubieten. Erst in jüngster Zeit wurden auch programmierbare Analogbausteine verfügbar. Mit Hilfe dieser Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) ist nun auch ein Rapid-Prototyping gemischt analog/digitaler Systeme möglich. Damit läßt sich auch die Verifizierung dieser Systeme wesentlich beschleunigen und somit eine schnellere Marktreife (Time-to-Market) des Produkts erreichen.

Das FPGA Kochbuch spricht einen sehr breiten Leserkreis an. Sowohl der Entwicklungsingenieur in der Praxis, als auch Studierende aller natur- und ingenieurwissenschaftlichen Fachrichtungen werden hierin eine Fülle von Fachinformationen finden.

Wie es sich für ein gutes "Kochbuch" gehört, werden die wichtigsten Grundlagen, Entwurfsprinzipien, Bausteine und Werkzeuge in leicht verständlicher, kompakter und ausführlicher Weise dargestellt. Es obliegt jetzt der Kreativität des Lesers, für seine spezielle Anwendung eine effiziente und innovative Lösung auf der Basis dieser faszinierenden Technologie zu finden. Ich wünsche den Lesern dieses Buches hierfür viel Erfolg.

Prof. Dr.-Ing. Klaus Waldschmidt

Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt/Main