البرمجة التناظرية

عندما تنظر إلى نجاح مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA) في التقاط مجموعة واسعة من التصميمات حيث تكون المرونة أكثر من سعر الحجم ، فإن الجاذبية لفعل الشيء نفسه للتناظرية لها معنى كبير.

لكن ابن العم التناظري لـ FPGA واجه صراعًا أكبر.

من الناحية المفاهيمية ، فإن المصفوفة التناظرية القابلة للبرمجة الميدانية (FPAA) أصغر بقليل من شقيقها الأكبر ذي التوجه المنطقي: ظهرت المقترحات الأولى من الباحثين في أواخر الثمانينيات ، مع العمل في مجموعتين مستقلتين ، واحدة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والأخرى في جامعة جنوب كاليفورنيا. ومنذ ذلك الحين ، تمت تجربة المفهوم تجاريًا ولكن مع نتائج مختلطة. كان المؤيد الأكثر شهرة هو Anadigm ، الذي بدأ كإنتاج من شركة صناعة الزجاج Pilkington في منتصف التسعينيات قبل أن تستحوذ عليه شركة Motorola ثم تم نسجها مرة أخرى كشركة مقرها بالقرب من أشباه الموصلات شركة أريزونا فابس.

بالنسبة لأجزائه اختار Anadigm تبديل-مكثف التنفيذ، والذي كان بالفعل تقنية مستخدمة في تصميم ASICs لإضافة وظائف تناظرية بتكلفة فعالة إلى عملية رقمية في الغالب. يوفر تشغيل وإيقاف الدوائر المعتمدة على المكثفات بسرعة القدرة على البناء المقاوم الشبكات الأكثر دقة من مقاومات CMOS المادية وقابلة للاستخدام طالما أن عرض النطاق الترددي للإشارة أقل من معدل التحويل. اختارت شركة Okika Technologies الناشئة إلى حد ما أسلوبًا بالمكثف المحول لضبط معلمات وحدات مكبر الصوت على الرقاقة وخلايا الإدخال / الإخراج التي يتم توفيرها جنبًا إلى جنب مع جداول البحث الرقمية للتحكم.

تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية للشركات التي تبيع FPAA في التوتر بين الحاجة إلى الحجم الصغير والمرونة مقابل التكلفة والأداء في بيئة تكون فيها الدوائر التناظرية المنفصلة ، حتى مع وظائف محددة للغاية ، وفيرة وغير مكلفة في كثير من الأحيان.

يقول Andrea Riverso ، رئيس إدارة المنتجات لأشباه الموصلات في الموزع Farnell ، إن المستخدمين الذين يحتاجون إلى نماذج أولية سريعة أو يعملون على تطبيقات بحثية من المرجح أن يستفيدوا أكثر من الأجزاء التناظرية القابلة للبرمجة. بمجرد أن يصبح أحد المتطلبات محددًا ، يمكن أن يكون أكثر فعالية من حيث التكلفة لتطوير تنفيذ متماسك ولا يزال قادرًا على إضافة مستوى معين من قابلية البرمجة ، ربما عن طريق تبديل بعض العناصر داخل وخارج الدارة الكهربائية.

السؤال الرئيسي هو مدى المرونة المطلوبة في الميدان. يمكن أن يكون FPAA منطقيًا إذا كانت هناك حاجة لتلبية مدخلات أجهزة الاستشعار المختلفة وضبط كيفية تكييف إشاراتها. على سبيل المثال ، قد تحتاج الواجهة إلى تنفيذ مجموعة متنوعة من المرشحات للتعامل مع أنواع الإدخال المختلفة. لكن هذا هو الموقف الذي قد لا تكون فيه البرمجة الكاملة هي الخيار الأكثر فعالية من حيث التكلفة. طور بعض البائعين مع وضع تطبيقات محددة في الاعتبار ذات قابلية تكوين محدودة.

أمثلة FPAA

مثال على ذلك هو خط إنتاج SWIO للأجهزة التناظرية ، والذي يستخدم على الرقاقة ، أحيانًا بمساعدة مداخل خارجية ، للسماح لمجموعة متنوعة من واجهات المستشعرات والأدوات التي تشير باستخدام حلقات تيار 4-20mA لتغذية البيانات إلى معالجها الرقمي. وفقًا لـ Analog ، فإن القوة الدافعة لخط إنتاج SWIO الخاص بهم هي الانتقال إلى Ethernet الذي تمر به صناعة الأتمتة الصناعية.

فمن ناحية، تحاول الشركات التي تحتاج إلى دعم الأجهزة التناظرية القديمة تقليل عدد المنصات التي تحتاج إلى دعمها. إن وجود تصميم لوحة واحدة قادر على تلبية مجموعة واسعة من واجهات المستشعرات يمكن أن يوفر ملايين الدولارات في التطوير في المواقف التي يتعين فيها على البائعين دعم عشرات مجموعات الإدخال/الإخراج المختلفة. المحرك الثاني هو انتقال Ethernet نفسه، من خلال السماح لأصحاب المصانع بالاحتفاظ بأدوات 4-20 مللي أمبير في مكانها مع جعلهم يتحدثون إلى الأنظمة التي تستخدم الشبكة الرقمية. يمكن لصانعي المعدات، من حيث المبدأ، توفير شكلي واحد وحدة لدعم التحول.

تم تطوير عائلة PIXI من Maxim Integrated في الأصل لتوفير طريقة لتحيز مضخمات الطاقة في تصميمات جهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي للمساعدة في التغلب على مشكلة المخزون التي يعاني منها هذا القطاع مع النطاق الهائل من نطاقات الراديو المستخدمة في جميع أنحاء العالم. بالإضافة إلى مستشعرات درجة الحرارة المخصصة ، تستخدم أجزاء مثل MAX11300 وحدة ADC و DACs أحادية الرقاقة متعددة الإرسال عبر عدد من القنوات لقياس وتوليد الفولتية المختلفة.

الحوار أشباه الموصلاتيقدم برنامج GreenPak الخاص بـ GreenPak مزيجًا من التسلسل الرقمي وقابلية البرمجة التناظرية في الوقت الفعلي مع توفير مضخمات تشغيلية ومتغيرات متغيرة مدمجة مع جداول البحث الرقمية على الرقاقة. تم تصميم الأجزاء لتكون قادرة على تمكين وتعطيل الخلايا الكبيرة التناظرية بحيث تكون الواجهات التناظرية نشطة فقط وتستمد الطاقة عند الحاجة. تعمل وحدة PSoC التي طورتها شركة Cypress Semiconductor، والتي أصبحت الآن جزءًا من Infineon Technologies، على ربط خلاياها الكبيرة التناظرية القابلة للبرمجة بوحدة تحكم دقيقة لدعم سيناريوهات التحكم الأكثر تعقيدًا.

البروفيسور جينيفر هاسلر من معهد جورجيا تكنولوجيا يجادل بأنه على الرغم من وجود بعض طرق التحليل العددي، إلا أن هناك وظائف يمكن للدوائر التناظرية القيام بها بكفاءة أكبر بكثير

تغيير تصميم الأنظمة

إحدى الحجج التي بدأت أخيرًا في ظهور التناظرية القابلة للبرمجة ليست الرغبة في خفض مخزون التصاميم مثل المستشعرات الصناعية ، ولكن التغيير في تصميم الأنظمة ، بقيادة التكنولوجيا العصرية للتعلم الآلي حاليًا. تستخدم معظم خوارزميات التعلم الآلي نوعًا من الجبر الخطي للتحليل العددي ، سواء كان ذلك من أجل النسب المتدرج في شبكات الخلايا العصبية أو نوعًا آخر من التحسين التكراري.

تجادل البروفيسور جينيفر هاسلر من معهد جورجيا للتكنولوجيا أنه على الرغم من أن بعض طرق التحليل العددي ، مثل عامل المصفوفة أسهل بكثير على الأجهزة الرقمية ، إلا أن هناك وظائف يمكن أن تقوم بها الدوائر التماثلية بشكل أكثر كفاءة. وهي تشمل التحسين والتمايز. تم استدعاء أجهزة الكمبيوتر التناظرية المبكرة للقيام بهذه الوظائف للتعامل مع حلقات التحكم في غياب أجهزة الكمبيوتر الرقمية السريعة.

على الرغم من أن المنطق الرقمي لا يزال يتمتع بميزة من حيث السرعة والكثافة لمعظم الوظائف ، إلا أن الحوسبة التناظرية لديها القدرة على القفز إلى الأمام من حيث كفاءة الطاقة ، على الأقل بالنسبة للوظائف المناسبة. في إحدى التجارب التي أجرتها مجموعة Hasler ، كان FPAA قادرًا على التعرف على كلمات الأمر في الكلام ، حيث أخذ 1µJ فقط لكل استنتاج ، أو أقل بنحو ألف مرة من التطبيقات الرقمية المماثلة. نفذت FPAA بنكًا من مرشحات تمرير النطاق التي تم استخدامها لاستخراج الميزات ، وإدخالها في خوارزمية بسيطة للتعلم الآلي استنادًا إلى مضاعف المصفوفة التناظرية ومصنف الفائز يأخذ كل شيء والذي يحول المدخلات الطيفية إلى عدد قليل من الرموز المحددة.

الآن في جيلها الثالث ، بدأ عمل Georgia Tech RASP ككتل من الدوائر الفرعية التي يمكن دمجها بطرق مختلفة باستخدام السعة بطريقة مختلفة عن تطبيقات المكثف المحول. هنا السعة التي يتم استغلالها موجودة في البوابات العائمة للترانزستورات المطورة للذاكرة غير المتطايرة. هذه ليست جديدة على FPGAs. استغلت أجهزة Microsemi هذه التقنية للبعض على الرغم من أن معظم FPGAs الأخرى تستخدم خلايا SRAM لبرمجة الاتصالات بين العناصر القابلة للتكوين بالإضافة إلى الإدخالات في جداول البحث الأساسية الخاصة بهم ولكن يمكنها فقط الاحتفاظ بالقيم الرقمية بشكل موثوق. من ناحية أخرى ، فإن مفاتيح البوابة العائمة قادرة على الاحتفاظ بقيم تناظرية ، على الرغم من محدودية الدقة والدقة.

أحدث شكل من عمل Georgia Tech ينفذ 600,000 معلمة قابلة للبرمجة باستخدام عملية CMOS قديمة نسبيًا 350 نانومتر. يمكن للبوابات العائمة أداء مهام مزدوجة حيث يتم استخدام العديد منها في نسيج التوجيه ولكن يمكن برمجتها لتكون قيد التشغيل جزئيًا وبالتالي ضبط مستويات الإشارة التي تصل إلى كتل الوجهة. على غرار النهج المستخدم في أجهزة الذكاء الاصطناعي التماثلية مثل تلك التي صنعتها Mythic ، فإن الطبيعة التناظرية لمصفوفة الترابط تتيح لها أداء مهام مثل مضاعفة المصفوفة ببساطة عن طريق خلط إشارات الإدخال عند نقاط التقاطع.

اتخذت شركة Start-up Aspinity نهجًا أكثر وضوحًا لتطبيق الدوائر التناظرية على التعلم الآلي. يستخدم جهاز RAMP الخاص به الدوائر التناظرية التي تعمل في نظام العتبة الفرعية لتوفير الطاقة بهدف تنفيذ وظائف الشكل العصبي. بينما تركز البنية الأسطورية بشكل مباشر على حساب المصفوفة التماثلية ، تشتمل نوى Aspinity AnalogML على وظائف واجهة للاتصال بأجهزة الاستشعار وأجهزة الإدخال الأخرى والكتل التي يمكن تهيئتها لأداء استخراج الميزات قبل تمرير النتائج إلى جوهر الاستنتاج.

بعد حوالي ثلاثة عقود من اقتراح FPAAs الأول ، بدأت البرمجة تشق طريقها بثبات إلى التناظرية. قد يؤدي الجمع بين التجديد الصناعي واعتماد التعلم الآلي في الأجهزة منخفضة الطاقة إلى دفعها إلى الاتجاه السائد حيث تصبح المرونة الديناميكية أكثر من المتطلبات.