Programabilidad analógica

Cuando observa el éxito de la matriz de puertas programables en campo (FPGA) al capturar una amplia gama de diseños donde la flexibilidad cuenta más que el precio por volumen, el atractivo de hacer lo mismo con los analógicos tiene mucho sentido.

Pero el primo analógico de la FPGA se ha enfrentado a más dificultades.

Conceptualmente, la matriz analógica programable en campo (FPAA) es solo un poco más joven que su hermano mayor orientado a la lógica: las primeras propuestas de los investigadores aparecieron a fines de la década de 1980, con trabajo en dos grupos independientes, uno en Caltech y el otro en el Universidad del Sur de California. Desde entonces, el concepto se ha probado comercialmente, aunque con resultados mixtos. El proponente más famoso ha sido Anadigm, que comenzó como una escisión del fabricante de vidrio Pilkington a mediados de la década de 1990 antes de ser adquirida por Motorola y nuevamente escindida como una empresa con sede cerca de la Semiconductores fábricas de Arizona de la compañía.

Por su parte, Anadigm eligió un sistema conmutado.condensador implementación, que ya era una técnica utilizada en el diseño de ASIC para agregar funciones analógicas de manera rentable a un proceso predominantemente digital. Encender y apagar rápidamente circuitos basados ​​en condensadores proporciona la capacidad de construir Resistencia redes que son más precisas que las resistencias CMOS físicas y utilizables siempre que el ancho de banda de la señal esté por debajo de la velocidad de conmutación. Okika Technologies, una empresa algo más joven, ha elegido de manera similar un enfoque de condensador conmutado para ajustar los parámetros de los módulos amplificadores en chip y las celdas de E / S que se proporcionan junto con las tablas de búsqueda digital para el control.

Un tema clave para las empresas que venden FPAA es la tensión entre la necesidad de un tamaño pequeño y flexibilidad frente al costo y el rendimiento en un entorno donde los circuitos analógicos discretos, incluso con funciones muy específicas, son abundantes y, a menudo, económicos.

Andrea Riverso, directora de gestión de productos para semiconductores en el distribuidor Farnell, dice que los usuarios que necesitan prototipos rápidos o que trabajan en aplicaciones de investigación probablemente se beneficiarán más de las piezas analógicas programables. Una vez que un requisito se vuelve específico, puede ser más rentable desarrollar una implementación cableada y aún así poder agregar algún nivel de programabilidad, posiblemente cambiando algunos elementos dentro y fuera del circuito.

Una pregunta clave es cuánta flexibilidad en el campo se necesita. Una FPAA puede tener sentido si es necesario atender a diferentes entradas de sensor y ajustar cómo se condicionan sus señales. Por ejemplo, es posible que la interfaz deba implementar una variedad de filtros para hacer frente a diferentes tipos de entrada. Pero esta es una situación en la que la capacidad de programación completa puede no ser la opción más rentable. Algunos proveedores se han desarrollado teniendo en cuenta aplicaciones específicas que tienen una capacidad de configuración más limitada.

Ejemplos de FPAA

Un ejemplo es la línea de productos SWIO de Analog Devices, que utiliza un chip, a veces con la ayuda de pasivos externos, para permitir que una variedad de interfaces de sensores e instrumentos que señalizan usando bucles de corriente de 4-20 mA para alimentar datos a su procesador digital. Según Analog, la fuerza impulsora de su línea de productos SWIO es una transición a Ethernet por la que atraviesa la industria de la automatización industrial.

Por un lado, las empresas que necesitan soportar instrumentación analógica heredada están tratando de reducir la cantidad de plataformas que necesitan soportar. Tener un diseño de placa única que sea capaz de atender a una amplia variedad de interfaces de sensores podría ahorrar millones de dólares en desarrollo en situaciones en las que los proveedores tienen que admitir decenas de combinaciones de E/S diferentes. Un segundo factor es la propia transición a Ethernet, que permite a los propietarios de fábricas mantener los instrumentos de 4-20 mA en su lugar pero hacer que se comuniquen con los sistemas que utilizan la red digital. Los fabricantes de equipos pueden, en principio, proporcionar un único sistema configurable. módulo para apoyar el cambio.

La familia PIXI de Maxim Integrated se desarrolló originalmente para proporcionar una forma de sesgar los amplificadores de potencia en los diseños de transceptores inalámbricos para ayudar a superar el problema de inventario que tiene el sector con la gran variedad de bandas de radio en uso en todo el mundo. Además de los sensores de temperatura dedicados, partes como el MAX11300 emplean ADC y DAC en chip multiplexados en varios canales para medir y generar diferentes voltajes.

Diálogo SemiconductoresGreenPak de ofrece una combinación de secuenciación digital y programabilidad analógica en tiempo real con la provisión de amplificadores operacionales y reóstatos en chip combinados con tablas de búsqueda digitales. Las piezas están diseñadas para poder habilitar y deshabilitar macroceldas analógicas de modo que las interfaces analógicas solo estén activas y consumiendo energía cuando sea necesario. El PSoC desarrollado por Cypress Semiconductor, que ahora forma parte de Infineon Technologies, acopla sus macrocélulas analógicas programables a un microcontrolador para admitir escenarios de control más complejos.

La profesora Jennifer Hasler del Instituto de Georgia de Tecnología Sostiene que, a través de algunos métodos de análisis numérico, hay funciones que los circuitos analógicos pueden realizar potencialmente de manera mucho más eficiente.

Cambio de diseño de sistemas

Un argumento para que el analógico programable finalmente comience a surgir no es tanto el deseo de reducir el inventario de diseños como los sensores industriales, sino un cambio en el diseño de sistemas, liderado por la tecnología de aprendizaje automático actualmente de moda. La mayoría de los algoritmos de aprendizaje automático utilizan algún tipo de álgebra lineal para el análisis numérico, ya sea para el descenso de gradientes en redes de neuronas o algún otro tipo de optimización iterativa.

La profesora Jennifer Hasler del Instituto de Tecnología de Georgia sostiene que, aunque algunos métodos de análisis numérico, como la factorización matricial, son mucho más fáciles en el hardware digital, hay funciones que los circuitos analógicos pueden hacer potencialmente de manera mucho más eficiente. Incluyen optimización y diferenciación. Se pidió a las primeras computadoras analógicas que hicieran esos trabajos para manejar los lazos de control en ausencia de computadoras digitales rápidas.

Aunque la lógica digital todavía tiene una ventaja en términos de velocidad y densidad para la mayoría de los trabajos, la computación analógica tiene el potencial de dar un salto adelante en términos de eficiencia energética, al menos para los trabajos adecuados. En un experimento del grupo de Hasler, una FPAA pudo reconocer palabras de comando en el habla, tomando solo 1 µJ por inferencia, o aproximadamente mil veces menos que implementaciones digitales similares. La FPAA implementó un banco de filtros de paso de banda que se utilizaron para la extracción de características, alimentando un algoritmo simple de aprendizaje automático basado en un multiplicador de matriz analógica y un clasificador de ganador se lleva todo que convierte las entradas espectrales en unos pocos símbolos seleccionados.

Ahora en su tercera generación, el trabajo de Georgia Tech RASP comenzó como bloques de subcircuitos que podrían combinarse de diferentes maneras usando capacitancia de una manera diferente a las implementaciones de capacitores conmutados. Aquí, la capacitancia que se explota está en las puertas flotantes de los transistores desarrollados para la memoria no volátil. Estos no son nuevos para los FPGA. Los dispositivos de Microsemi han explotado esta tecnología para algunos, aunque la mayoría de los otros FPGA usan celdas SRAM para programar las conexiones entre elementos configurables, así como las entradas en sus tablas de búsqueda centrales, pero solo pueden contener valores digitales de manera confiable. Los interruptores de puerta flotante, por otro lado, son capaces de mantener valores analógicos, aunque con resolución y precisión limitadas.

La forma más reciente del trabajo de Georgia Tech implementa 600,000 parámetros programables utilizando un proceso CMOS de 350nm relativamente antiguo. Las puertas flotantes pueden realizar tareas dobles, ya que muchas de ellas se utilizan en la estructura de enrutamiento, pero se pueden programar para que estén parcialmente encendidas y así ajustar los niveles de señal que llegan a los bloques de destino. Similar al enfoque utilizado en dispositivos de IA analógicos como los fabricados por Mythic, la naturaleza analógica de la matriz de interconexión le permite realizar tareas como la multiplicación de matrices simplemente mezclando señales de entrada en los puntos de cruce.

La startup Aspinity ha adoptado un enfoque más explícito para aplicar circuitos analógicos al aprendizaje automático. Su dispositivo RAMP utiliza circuitos analógicos que operan en el régimen de subumbral para ahorrar energía con el objetivo de implementar funciones neuromórficas. Mientras que la arquitectura Mythic se centra directamente en la aritmética de matrices analógicas, los núcleos Aspinity AnalogML incluyen funciones de interfaz para conectarse a sensores y otros dispositivos y bloques de entrada que se pueden configurar para realizar la extracción de características antes de pasar los resultados a un núcleo de inferencia.

Aproximadamente tres décadas después de que se propusieran los primeros FPAA, la programabilidad se está convirtiendo constantemente en analógica. Una combinación de renovación industrial y la adopción de aprendizaje automático en dispositivos de bajo consumo puede llevarlo a la corriente principal a medida que la flexibilidad dinámica se convierte en un requisito.