Programmabilité analogique

Lorsque vous regardez le succès du réseau de portes programmables sur site (FPGA) en capturant une large gamme de conceptions où la flexibilité compte plus que le prix de volume, l'attrait de faire de même pour l'analogique a beaucoup de sens.

Mais le cousin analogique du FPGA a dû faire face à plus de difficultés.

Conceptuellement, le tableau analogique programmable sur le terrain (FPAA) n'est qu'un peu plus jeune que son grand frère à orientation logique: les premières propositions des chercheurs sont apparues à la fin des années 1980, avec des travaux sur deux groupes indépendants, l'un à Caltech et l'autre à la Université de Californie du Sud. Depuis lors, le concept a été testé commercialement mais avec des résultats mitigés. Le promoteur le plus célèbre a été Anadigm, qui a débuté comme une spin-out du verrier Pilkington au milieu des années 1990 avant d'être racheté par Motorola et de redevenir une société basée près de la Semi-conducteurs fabs de la société en Arizona.

Pour ses pièces, Anadigm a choisi un système à commutationcondensateur mise en œuvre, qui était déjà une technique utilisée dans la conception d'ASIC pour ajouter des fonctions analogiques de manière rentable à un processus à prédominance numérique. L'activation et la désactivation rapides des circuits basés sur des condensateurs offrent la possibilité de construire Resistor des réseaux plus précis que les résistances CMOS physiques et utilisables tant que la bande passante du signal est inférieure au taux de commutation. La start-up un peu plus jeune Okika Technologies a également choisi une approche à condensateur commuté pour régler les paramètres des modules d'amplification sur puce et des cellules d'E / S qui sont fournis avec les tables de consultation numériques pour le contrôle.

Un problème clé pour les entreprises qui vendent des FPAA est la tension entre le besoin de petite taille et de flexibilité par rapport au coût et aux performances dans un environnement où les circuits analogiques discrets, même avec des fonctions très spécifiques, sont abondants et souvent peu coûteux.

Andrea Riverso, responsable de la gestion des produits pour les semi-conducteurs chez le distributeur Farnell, déclare que les utilisateurs ayant besoin d'un prototypage rapide ou travaillant sur des applications de recherche bénéficieront probablement davantage des pièces analogiques programmables. Une fois qu'une exigence devient spécifique, il peut être plus rentable de développer une implémentation câblée tout en étant capable d'ajouter un certain niveau de programmabilité, éventuellement en commutant certains éléments dans et hors du circuit.

Une question clé est de savoir quelle flexibilité sur le terrain est nécessaire. Un FPAA peut avoir un sens s'il est nécessaire de prendre en charge différentes entrées de capteur et d'ajuster la façon dont leurs signaux sont conditionnés. Par exemple, l'interface peut avoir besoin d'implémenter une variété de filtres pour faire face à différents types d'entrée. Mais c'est une situation où la programmabilité complète n'est peut-être pas l'option la plus rentable. Certains fournisseurs ont développé en pensant à des applications spécifiques dont la configurabilité est plus limitée.

Exemples FPAA

Un exemple est la gamme de produits SWIO d'Analog Devices, qui utilise sur puce, parfois avec l'aide de passifs externes, pour permettre à une variété d'interfaces de capteurs et d'instruments de signaler à l'aide de boucles de courant 4-20 mA pour fournir des données à son processeur numérique. Selon Analog, la force motrice de leur gamme de produits SWIO est une transition vers Ethernet que traverse l'industrie de l'automatisation industrielle.

D’un côté, les entreprises qui doivent prendre en charge les instruments analogiques existants tentent de réduire le nombre de plates-formes qu’elles doivent prendre en charge. Disposer d'une conception de carte unique capable de prendre en charge la grande variété d'interfaces de capteurs pourrait permettre d'économiser des millions de dollars en développement dans des situations où les fournisseurs doivent prendre en charge des dizaines de combinaisons d'E/S différentes. Un deuxième facteur est la transition Ethernet elle-même, en permettant aux propriétaires d'usines de conserver les instruments 4-20 mA en place mais de les faire communiquer avec les systèmes utilisant le réseau numérique. Les équipementiers peuvent, en principe, proposer un seul module pour accompagner le changement.

La famille PIXI de Maxim Integrated a été développée à l'origine pour fournir un moyen de polariser les amplificateurs de puissance dans les conceptions d'émetteurs-récepteurs sans fil pour aider à surmonter le problème d'inventaire que le secteur a avec la vaste gamme de bandes radio utilisées dans le monde entier. En plus des capteurs de température dédiés, des pièces telles que le MAX11300 utilisent des ADC et des DAC sur puce multiplexés sur un certain nombre de canaux pour mesurer et générer différentes tensions.

Dialogue Semi-conducteursLe GreenPak de offre une combinaison de séquençage numérique et de programmabilité analogique en temps réel avec la fourniture d'amplificateurs opérationnels et de rhéostats sur puce combinés à des tables de recherche numériques. Les pièces sont conçues pour pouvoir activer et désactiver les macrocellules analogiques afin que les interfaces analogiques ne soient actives et consomment de l'énergie qu'en cas de besoin. Le PSoC développé par Cypress Semiconductor, qui fait désormais partie d'Infineon Technologies, couple ses macrocellules analogiques programmables à un microcontrôleur pour prendre en charge des scénarios de contrôle plus complexes.

Professeur Jennifer Hasler du Georgia Institute of Technologie soutient que, malgré certaines méthodes d'analyse numérique, il existe des fonctions que les circuits analogiques peuvent potentiellement remplir de manière beaucoup plus efficace

Modification de la conception des systèmes

Un argument pour que l'analogique programmable commence enfin à éclater n'est pas tant le désir de réduire les stocks de conceptions telles que les capteurs industriels, mais un changement dans la conception des systèmes, mené par la technologie actuellement à la mode de l'apprentissage automatique. La plupart des algorithmes d'apprentissage automatique utilisent une sorte d'algèbre linéaire pour l'analyse numérique, que ce soit pour la descente de gradient dans les réseaux de neurones ou un autre type d'optimisation itérative.

Le professeur Jennifer Hasler du Georgia Institute of Technology soutient que bien que certaines méthodes d'analyse numérique, telles que la factorisation matricielle, soient beaucoup plus faciles sur le matériel numérique, il existe des fonctions que les circuits analogiques peuvent potentiellement faire beaucoup plus efficacement. Ils incluent l'optimisation et la différenciation. Les premiers ordinateurs analogiques ont été appelés à effectuer ces tâches pour gérer les boucles de contrôle en l'absence d'ordinateurs numériques rapides.

Bien que la logique numérique ait toujours un avantage en termes de vitesse et de densité pour la plupart des emplois, l'informatique analogique a le potentiel de faire un bond en avant en termes d'efficacité énergétique, au moins pour les bons emplois. Dans une expérience menée par le groupe de Hasler, un FPAA a été capable de reconnaître des mots de commande dans la parole, en ne prenant que 1 µJ par inférence, soit environ mille fois moins que des implémentations numériques similaires. Le FPAA a mis en œuvre une banque de filtres passe-bande qui ont été utilisés pour l'extraction de caractéristiques, alimentant un algorithme d'apprentissage automatique simple basé sur un multiplicateur de matrice analogique et un classificateur gagnant-gagnant qui convertissait les entrées spectrales en quelques symboles sélectionnés.

Maintenant dans sa troisième génération, le travail de Georgia Tech RASP a commencé comme des blocs de sous-circuits qui pouvaient être combinés de différentes manières en utilisant la capacité d'une manière différente des implémentations à condensateur commuté. Ici, la capacité exploitée se trouve dans les grilles flottantes des transistors développés pour la mémoire non volatile. Ce ne sont pas des nouveautés pour les FPGA. Les appareils de Microsemi ont exploité cette technologie pour certains bien que la plupart des autres FPGA utilisent des cellules SRAM pour programmer les connexions entre les éléments configurables ainsi que les entrées dans leurs tables de recherche de base, mais ne peuvent contenir de manière fiable que des valeurs numériques. Les commutateurs à porte flottante, quant à eux, sont capables de conserver des valeurs analogiques, mais avec une résolution et une précision limitées.

La forme la plus récente du travail de Georgia Tech met en œuvre 600,000 350 paramètres programmables en utilisant un processus CMOS de XNUMX nm relativement ancien. Les portes flottantes peuvent effectuer des tâches doubles en ce que beaucoup d'entre elles sont utilisées dans la structure de routage mais peuvent être programmées pour être partiellement activées et ainsi ajuster les niveaux de signal qui atteignent les blocs de destination. Semblable à l'approche utilisée dans les dispositifs d'IA analogiques tels que ceux fabriqués par Mythic, la nature analogique de la matrice d'interconnexion lui permet d'effectuer des tâches telles que la multiplication de matrice simplement en mélangeant les signaux d'entrée aux points de croisement.

La start-up Aspinity a adopté une approche plus explicite pour appliquer les circuits analogiques à l'apprentissage automatique. Son dispositif RAMP utilise des circuits analogiques fonctionnant en régime sous-seuil pour économiser de l'énergie dans le but de mettre en œuvre des fonctions neuromorphiques. Alors que l'architecture Mythic se concentre carrément sur l'arithmétique matricielle analogique, les cœurs Aspinity AnalogML incluent des fonctions d'interface pour se connecter à des capteurs et à d'autres périphériques d'entrée et des blocs qui peuvent être configurés pour effectuer une extraction de caractéristiques avant de transmettre les résultats à un noyau d'inférence.

Quelque trois décennies après la proposition des premiers FPAA, la programmabilité fait progressivement son chemin vers l'analogique. Une combinaison de rénovation industrielle et d'adoption de l'apprentissage automatique dans les appareils à faible consommation peut le pousser dans le courant dominant, car la flexibilité dynamique devient de plus en plus une exigence.