พื้นฐาน CPLD และ FPGA (1)

» พื้นฐาน CPLD และ FPGA (1)

ในช่วงก่อนทศวรรษ 1970 อุตสาหกรรมเซมิคอนดัคเตอร์ได้ถูกปลุกให้ตื่นตัวขึ้นหลังจากที่มีการประดิษฐ์วงจรรวมหรือไอซี ตัวแรกสำเร็จ ในยุคแรกนั้นไอซีขนาดเล็กหรือ SSI (Small-Scale Integration) ประกอบไปด้วยเกทดิจิตอลจำนวนไม่มาก นัก(ประมาณ 1 ถึง 10 ตัว) ต่อมาได้มีการเพิ่มปริมาณของเกทดิจิตอลและฟังก์ชันทางลอจิกให้มากขึ้นจนเป็น MSI (Medium- Scale Integration) การพัฒนาไอซีเป็นไปอย่างต่อเนื่องจนมาถึงยุคของ LSI (Large-Scale Integration) ซึ่งเป็นยุคที่มีการ สร้างไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกขึ้นและในปัจจุบันเป็นยุคของ VLSI (Very Large-Scale Integration) ซึ่งเทคโนโลยีในการ สร้างไอซีรุดหน้าจนสามารถสร้างไมโครโปรเซสเซอร์ขนาด 64 บิต ที่มีหน่วยความจำแคชกับหน่วยคำนวณทางคณิตศาสตร์ ของโฟล์ทติงพอยน์ (Floating-Point Arithmetic Units) รวมอยู่ภายในตัวมันและเนื่องจากการปรับปรุงเทคโนโลยี ของกระบวนการสร้างซีมอส ที่มีมาอย่างต่อเนื่องทำให้ขนาดของทรานซิสเตอร์ที่บรรจุอยู่ภายในไอซีมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จนบางคนโดยเฉพาะ ในญี่ปุ่นใช้คำว่า ULSI (Ultralarge Scale Integration) เพื่อใช้เรียกระดับของไอซีในปัจจุบันแต่คนส่วนมาก ยังมักนิยมเรียกเพียงแค่ VLSI

จากการปรากฏตัวของ VLSI ในช่วงทศวรรษ 1980 ทำให้วิศวกรเริ่มมีการออกแบบไอซีตามความต้องการของลูกค้าซึ่งใช้ใน ระบบที่เจาะจงนอกเหนือจากการใช้ไอซีมาตรฐานเพียงอย่างเดียว โดยไอซีเหล่านี้มีชื่อเรียกว่า ASIC :Application-Specific Integrated Circuit (ออกเสียงว่า เอ-ซิก) ซึ่งตัวอย่างของ ASIC ได้แก่ชิพไอซีที่ใช้ สำหรับตุ๊กตาของเล่นพูดได้ ดาวเทียม และ ชิพที่ภายในบรรจุด้วยไมโครโปรเซสเซอร์กับอุปกรณ์ทางลอจิกอื่นๆ

ประเภทของ ASIC

ASIC แบ่งเป็น 3 ประเภทใหญ่ๆ คือ Full-custom, Semi-custom และ Programmable ดังรูปที่ 1.1

รูปที่ 1.1 ประเภทของ ASIC

1. Full-custom
ASIC ประเภทนี้ลูกค้าจะเป็นผู้ออกแบบเซลล์ลอจิก (เช่น แอนด์เกท ออร์เกท มัลติเพล็กเซอร์ และฟลิบฟล็อบ) และลักษณะ การจัดวางอุปกรณ์บนตัวไอซีรวมถึงหน้ากากสำหรับควบคุมการเจือและสร้างชั้นสาร (Mask) ต่างๆ ที่ ใช้ในการทำไอซีเอง ดังนั้นค่าใช้จ่ายในการออกแบบและการผลิตจะสูงมาก 2. Semi-custom
ASIC ประเภทนี้เซลล์ลอจิกจะถูกออกแบบเอาไว้ก่อนแล้วในรูปแบบของไลบรารีและลูกค้าจะเป็นผู้ออกแบบ Mask ต่างๆเอง ตัวอย่างของไอซีประเภทนี้ได้แก่ Standard-Cell-Based ASIC และ Masked Gate-Array-Based ASIC

2.1 Standard-Cell-Based ASIC
ไอซีประเภทนี้จะมีพื้นที่สำหรับจัดวางเซลล์ลอจิกมาตรฐานซึ่งถูกออกแบบเอาไว้แล้ว ในบางครั้งเซลล์ มาตรฐานเหล่านี้จะถูกนำมาประกอบกันเป็นเซลที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรียกว่า Megacell สำหรับการออก แบบนั้นผู้ออกแบบจะทำเพียงแค่กำหนดตำแหน่งของเซลล์มาตรฐานและการเชื่อมต่อภายในของแต่ ละเซลล์เท่านั้นแต่อย่างไรก็ดีเซลล์ต่างๆ เหล่านี้สามารถวางที่ตำแหน่งใดๆ ก็ได้บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอน นั่นก็หมายความว่าชั้น Mask จะถูกจัดวางตามความต้องการของผู้ออกแบบ

2.2 Masked Gate-Array-Based ASIC
ไอซีชนิดนี้จะมีทรานซิสเตอร์หรือเกทถูกสร้างมาในลักษณะของอะเรย์สองมิติบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอน และผู้ออกแบบจะทำการออกแบบ Mask เพื่อใช้สำหรับกำหนดการต่อเชื่อมของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว

3. Programmable

ASIC ประเภทนี้เซลล์ลอจิกจะถูกออกแบบไว้ก่อนเช่นเดียวกับ Semi-Custom แต่ชั้นของ Mask จะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ตามความต้องการของผู้ออกแบบ ไอซีประเภทนี้ยังแบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ Programmable Logic Device (PLD) และ Field Programmable Gate Array (FPGA)

3.1 Programmable Logic Device (PLD)
มีโครงสร้างภายในเป็นวงจรพื้นฐานทางด้านลอจิกต่อกันอยู่เป็นกลุ่มซึ่งมีทั้งวงจรคอมบิเนชัน(Combination) และซีเควนเชียล (Sequential) สำหรับเทคโนโลยีของวงจรที่ใช้สร้าง PLD จะมีทั้ง TTL, ECL และ CMOS ตามความเหมาะสมของแต่ละระบบ ไอซี PLD ทุกชนิดมีหลักการพื้นฐานของวงจรภายในที่เหมือนกันโดยมี วงจรคอมบิเนชันที่เป็นผลคูณร่วม บวก (Sum of product)ประกอบไปด้วยชุดของแอนด์เกทต่อร่วมกับออร์ เกทและในการ โปรแกรมจะเป็นการเลือกว่าอินพุทภายในของแอนด์เกทกับสัญญาณอินพุทใดบ้างที่จะต้อง ต่อ ถึงกันซึ่งมีทั้งจากภายนอกและสัญญาณป้อนกลับจากเอาท์พุทภายในเอง เช่น การติดต่ออินพุทของออร์ เกทกับเอาท์พุทของแอนด์เกทตัวต่างๆ สำหรับการโปรแกรมทางกายภาพนั้นอินพุท ต่างๆ ของอุปกรณ์ทุกตัว จะถูกต่อผ่านฟิวส์เข้ากับแหล่งสัญญาณ ซึ่งถ้าไม่ต้องการใช้สัญญาณ ใดก็จะตัดฟิวส์ตัวนั้นทิ้งทำให้สามารถ โปรแกรมได้เพียงครั้งเดียว ไอซี PLD บางชนิดใช้ มอสทรานซิสเตอร์แทนฟิวส์ทำให้สามารถโปรแกรมโดย ใช้กระแสไฟฟ้าและสามารถลบแล้ว โปรแกรมเข้าไปใหม่ได้อีก สำหรับไอซีในตระกูล PLD ได้แก่ PROM, PAL, PLA และ EPLD

รูปที่ 1.2 วงจรพื้นฐานของ PLD ซึ่งอยู่ในรูปผลคูณร่วมบวก

3.1.1 PROM (Programmable Read Only Memory)
PROM คือหน่วยความจำประเภท ROM ซึ่งนับว่าเป็นไอซี PLD ชนิดหนึ่งซึ่งวงจรภายใน ของ PROM ประกอบไปด้วยอะเรย์ของแอนด์และออร์เกท (And - Or Array) ผลลัพธ์ที่ขา ดาต้าเอาท์พุทสามารถแสดงได้ในสมการของฟังก์ชันผลคูณร่วมบวก (Sum of product) ของสัญญาณอินพุทที่ขาแอดเดรส

รูปที่ 1.3 ลักษณะของ PROM เมื่อเปรียบเทียบเป็นวงจรในรูปผลคูณร่วมบวก

รูปที่ 1.3 แสดงถึงลักษณะการเชื่อมต่อแอนด์เกทและออร์เกทของ PROM ขนาด 16x4 บิต วงจรทางด้านซ้ายบนสุดเป็นแอนด์เกทจะให้ผลคูณ (Product) ของกรณีที่อินพุทเป็น0000 แอนด์เกทที่อยู่ถัดลงมาเป็นผลคูณของกรณีที่อินพุทเป็น 0001, 0010, ...จนถึงตัวล่างสุดคือ ผลคูณในกรณีที่อินพุทเป็น 1111 ซึ่งสำหรับ PROM ที่มีจำนวนอินพุท n ตัวจะมีค่าอินพุทที่ เป็นไปได้ทั้งหมดเท่ากับ 2n และค่าอินพุทเหล่านี้จะถูกจัดวางอยู่ในส่วนอะเรย์ของ AND ซึ่งไม่สามารถแก้ไขได้ แต่ในส่วนของ OR จะเป็นส่วนที่อนุญาตให้ทำการโปรแกรมได้ และเนื่องจากการที่ด้าน AND ของ PROM มีการคอมบิเนชันของอินพุทที่เป็นไปได้ทั้งหมด ดังนั้นผู้ออกแบบจึงไม่จำเป็นต้องทำการลดรูปของฟังก์ชันลอจิกที่ออกแบบไว้เลยแต่อย่าง ไรก็ดีการกระทำเช่นนี้อาจทำให้เกิดจำนวนวงจรที่ไม่มีประสิทธิภาพจำนวนมากบนตัว ชิพได้

3.1.2 PLA (Programmable Logic Array)
ลักษณะเด่นของ PLA คือสามารถโปรแกรมการเชื่อมต่อได้ทั้งทางด้าน AND และด้าน OR ทำให้มีความยืดหยุ่นในการใช้งานมาก แต่อย่างไรก็ดีข้อเสียที่เห็นได้อย่างชัดเจน ของ PLA คือความยุ่งยากในการสร้างและคุณสมบัติทางด้านความเร็วที่ลดลงเนื่องจาก สัญญาณจะต้องวิ่งผ่านอะเรย์ของ AND และ OR

รูปที่ 1.4 วงจรพื้นฐานภายในของ PLA

3.1.3 PAL (Programmable Array Logic)
PAL มีลักษณะโครงสร้างที่ใกล้เคียงกับ PROM และ PLA มาก แต่การโปรแกรม PAL จะสามารถทำได้เพียงด้าน AND เท่านั้น

รูปที่ 1.5 วงจรพื้นฐานภายในของ PAL

3.1.4 EPLD (Erasable Programmable Logic Device)
EPLD เป็นอุปกรณ์ที่สามารถทำการโปรแกรมได้หลายครั้งซึ่งเหมาะสำหรับการ ทำวงจรต้นแบบ สำหรับเทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างจะเหมือนกับ CMOS EPROM คือ ใช้มอสทรานซิส เตอร์เชื่อมต่อระหว่างสัญญาณอินพุทกับจุดที่ต้องการแทนการ ใช้ฟิวส์แบบเดิมทำให้สามารถโปรแกรมการต่อวงจรภายในอุปกรณ์ด้วยการจ่าย ไฟฟ้าตามขนาดที่กำหนดไว้และลบได้โดยใช้แสงอัลตร้าไวโอเลทฉาย ผ่านช่อง หน้าต่างกระจกของตัวชิพ

3.2 Field-Programmable Gate Array (FPGA)
เป็นอุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนมากกว่า PLD ไปอีกระดับหนึ่ง ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว PLD และ FPGA แตก ต่างกันน้อยมาก สำหรับ FPGA แล้วนับว่าเป็นอุปกรณ์ตัวใหม่ในตระกูลของ ASIC ซึ่งมีการเจริญเติบโตอย่าง รวดเร็วและมีบทบาทที่สำคัญในการเข้ามาแทนที่ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ TTL โครงสร้าง ภายในของ FPGA ประกอบไปด้วยอะเรย์ของลอจิกเกทต่างๆมากมาย ซึ่งในปัจจุบันความจุเกทภายใน ตัวชิพ FPGA ได้เพิ่มขึ้น จากระดับไม่กี่พันตัวจนถึงระดับล้านตัวซึ่งสามารถรองรับวงจรดิจิตอลที่มีความ สลับซับซ้อนได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ในด้านการออกแบบพัฒนาและทดสอบก็ทำได้ง่ายซึ่งในปัจจุบัน การออกแบบวงจรโดยใช้ FPGA กำลังเป็นที่นิยมและมีแนวโน้มที่จะนำมาใช้งานมากขึ้นเรื่อย