Programabilitas analog

Saat Anda melihat keberhasilan dari array gerbang yang dapat diprogram di lapangan (FPGA) dalam menangkap berbagai macam desain di mana fleksibilitas lebih penting daripada harga volume, daya tarik untuk melakukan hal yang sama untuk analog sangat masuk akal.

Tapi sepupu analog dari FPGA menghadapi lebih banyak perjuangan.

Secara konseptual, field-programmable analogue array (FPAA) hanya sedikit lebih muda dari kakaknya yang berorientasi pada logika: proposal pertama dari para peneliti muncul pada akhir 1980-an, dengan pekerjaan di dua kelompok independen, satu di Caltech dan yang lainnya di Universitas California Selatan. Sejak itu konsep tersebut telah dicoba secara komersial meskipun dengan hasil yang beragam. Pendukung paling terkenal adalah Anadigm, yang dimulai sebagai spinout dari pembuat kaca Pilkington pertengahan 1990-an sebelum diakuisisi oleh Motorola dan sekali lagi berputar keluar sebagai perusahaan yang berbasis di dekat Semikonduktor perusahaan Arizona fabs.

Untuk bagian-bagiannya Anadigma memilih switch-kapasitor implementasi, yang sudah merupakan teknik yang digunakan dalam desain ASIC untuk menambahkan fungsi analog dengan biaya yang efektif ke proses yang didominasi digital. Menghidupkan dan mematikan sirkuit berbasis kapasitor dengan cepat memberikan kemampuan untuk membangun Penghambat jaringan yang lebih akurat daripada resistor CMOS fisik dan dapat digunakan selama bandwidth sinyal di bawah tingkat switching. Start-up yang lebih muda Okika Technologies juga telah memilih pendekatan kapasitor-sakelar untuk menyetel parameter modul penguat on-chip dan sel I / O yang disediakan di samping tabel pencarian digital untuk kontrol.

Masalah utama bagi perusahaan yang menjual FPAA adalah ketegangan antara kebutuhan akan ukuran kecil dan fleksibilitas versus biaya dan kinerja di lingkungan di mana sirkuit analog diskrit, bahkan dengan fungsi yang sangat spesifik, berlimpah dan seringkali murah.

Andrea Riverso, kepala manajemen produk untuk semikonduktor di distributor Farnell, mengatakan pengguna dengan kebutuhan untuk pembuatan prototipe cepat atau mengerjakan aplikasi penelitian kemungkinan besar akan mendapatkan keuntungan lebih dari suku cadang analog yang dapat diprogram. Setelah persyaratan menjadi spesifik, akan lebih hemat biaya untuk mengembangkan implementasi terprogram dan masih dapat menambahkan beberapa tingkat programabilitas, mungkin dengan mengalihkan beberapa elemen masuk dan keluar dari sirkit.

Pertanyaan kuncinya adalah seberapa besar fleksibilitas di lapangan dibutuhkan. FPAA dapat digunakan jika ada kebutuhan untuk memenuhi input sensor yang berbeda dan menyesuaikan bagaimana sinyalnya dikondisikan. Misalnya, antarmuka mungkin perlu menerapkan berbagai filter untuk menangani jenis masukan yang berbeda. Tetapi ini adalah situasi di mana programabilitas penuh mungkin bukan pilihan yang paling hemat biaya. Beberapa vendor telah mengembangkan dengan mempertimbangkan aplikasi khusus yang memiliki kemampuan konfigurasi yang lebih terbatas.

Contoh FPAA

Contohnya adalah lini produk SWIO Perangkat Analog, yang menggunakan on-chip, terkadang dengan bantuan pasif eksternal, untuk memungkinkan berbagai antarmuka sensor dan instrumen yang memberi sinyal menggunakan loop arus 4-20mA untuk memasukkan data ke prosesor digitalnya. Menurut Analog, kekuatan pendorong untuk lini produk SWIO mereka adalah transisi ke Ethernet yang sedang dilalui oleh industri otomasi industri.

Di satu sisi, perusahaan yang perlu mendukung instrumentasi analog lama sedang mencoba mengurangi jumlah platform yang perlu mereka dukung. Memiliki desain papan tunggal yang mampu memenuhi beragam antarmuka sensor dapat menghemat jutaan dolar dalam pengembangan dalam situasi di mana vendor harus mendukung puluhan kombinasi I/O yang berbeda. Penggerak kedua adalah transisi Ethernet itu sendiri, dengan memungkinkan pemilik pabrik untuk tetap menggunakan instrumen 4-20mA namun tetap berkomunikasi dengan sistem yang menggunakan jaringan digital. Pembuat peralatan, pada prinsipnya, dapat menyediakan satu konfigurasi modul untuk mendukung pergantian tersebut.

Keluarga PIXI dari Maxim Integrated awalnya dikembangkan untuk memberikan cara untuk bias power amplifier dalam desain transceiver nirkabel untuk membantu mengatasi masalah inventaris yang dimiliki sektor dengan banyaknya band radio yang digunakan di seluruh dunia. Selain sensor suhu khusus, suku cadang seperti MAX11300 menggunakan ADC onchip dan DAC yang dimultipleks di sejumlah saluran untuk mengukur dan menghasilkan tegangan yang berbeda.

Dialog SemikonduktorGreenPak menawarkan kombinasi sequencing digital dan kemampuan program analog real-time dengan penyediaan op-amp on-chip dan rheostat yang dikombinasikan dengan tabel pencarian digital. Bagian-bagiannya dirancang untuk dapat mengaktifkan dan menonaktifkan sel makro analog sehingga antarmuka analog hanya aktif dan mengambil daya saat diperlukan. PSoC yang dikembangkan oleh Cypress Semiconductor, yang kini menjadi bagian dari Infineon Technologies, memasangkan sel makro analog yang dapat diprogram ke mikrokontroler untuk mendukung skenario kontrol yang lebih kompleks.

Profesor Jennifer Hasler dari Institut Georgia Teknologi berpendapat bahwa meskipun ada beberapa metode analisis numerik, ada fungsi yang berpotensi dilakukan oleh sirkuit analog dengan jauh lebih efisien

Mengubah desain sistem

Salah satu argumen untuk analog yang dapat diprogram yang akhirnya mulai muncul bukanlah keinginan untuk memotong inventaris untuk desain seperti sensor industri tetapi perubahan dalam desain sistem, yang dipimpin oleh teknologi pembelajaran mesin yang saat ini modis. Sebagian besar algoritme pembelajaran mesin menggunakan beberapa jenis aljabar linier untuk analisis numerik, baik itu untuk penurunan gradien di jaringan neuron atau beberapa jenis pengoptimalan berulang lainnya.

Profesor Jennifer Hasler dari Institut Teknologi Georgia berpendapat bahwa meskipun beberapa metode analisis numerik, seperti faktorisasi matriks jauh lebih mudah pada perangkat keras digital, ada fungsi yang berpotensi dapat dilakukan oleh sirkuit analog jauh lebih efisien. Mereka termasuk pengoptimalan dan diferensiasi. Komputer analog awal dipanggil untuk melakukan pekerjaan tersebut untuk menangani loop kontrol tanpa adanya komputer digital yang cepat.

Meskipun logika digital masih memiliki keunggulan dalam hal kecepatan dan kepadatan untuk sebagian besar pekerjaan, komputasi analog memiliki potensi untuk menjadi yang terdepan dalam hal efisiensi energi, setidaknya untuk pekerjaan yang tepat. Dalam satu percobaan oleh kelompok Hasler, FPAA mampu mengenali kata-kata perintah dalam ucapan, hanya mengambil 1µJ per inferensi, atau sekitar seribu kali lebih sedikit daripada implementasi digital serupa. FPAA menerapkan bank filter bandpass yang digunakan untuk ekstraksi fitur, memasukkan algoritme pembelajaran mesin sederhana berdasarkan pengganda matriks analog dan pengklasifikasi pemenang-ambil-semua yang mengubah input spektral menjadi beberapa simbol yang dipilih.

Sekarang di generasi ketiganya, pekerjaan Georgia Tech RASP dimulai sebagai blok sub-sirkuit yang dapat digabungkan dengan cara yang berbeda menggunakan kapasitansi dengan cara yang berbeda untuk implementasi kapasitor-sakelar. Di sini kapasitansi yang dieksploitasi berada di gerbang mengambang transistor yang dikembangkan untuk memori non-volatil. Ini bukanlah hal baru bagi FPGA. Perangkat Microsemi telah mengeksploitasi teknologi ini untuk beberapa meskipun sebagian besar FPGA lain menggunakan sel SRAM untuk memprogram koneksi antara elemen yang dapat dikonfigurasi serta entri dalam tabel pencarian inti mereka tetapi hanya dapat menyimpan nilai digital dengan andal. Di sisi lain, sakelar gerbang apung mampu menahan nilai analog, meskipun dengan resolusi dan akurasi terbatas.

Bentuk terbaru dari pekerjaan Georgia Tech mengimplementasikan 600,000 parameter yang dapat diprogram menggunakan proses CMOS 350nm yang relatif lama. Gerbang apung dapat melakukan tugas ganda karena banyak di antaranya digunakan dalam struktur perutean tetapi dapat diprogram untuk sebagian aktif sehingga menyesuaikan level sinyal yang mencapai blok tujuan. Mirip dengan pendekatan yang digunakan dalam perangkat AI analog seperti yang dibuat oleh Mythic, sifat analog dari matriks interkoneksi memungkinkannya melakukan tugas-tugas seperti perkalian matriks hanya dengan mencampurkan sinyal input pada titik-titik persimpangan.

Start-up Aspinity telah mengambil pendekatan yang lebih eksplisit untuk menerapkan sirkuit analog ke pembelajaran mesin. Perangkat RAMP-nya menggunakan sirkuit analog yang beroperasi di rezim subthreshold untuk menghemat daya dengan tujuan menerapkan fungsi neuromorfik. Sedangkan arsitektur Mythic berfokus tepat pada aritmatika matriks analog, inti Aspinity AnalogML menyertakan fungsi antarmuka untuk menghubungkan ke sensor dan perangkat dan blok input lain yang dapat dikonfigurasi untuk melakukan ekstraksi fitur sebelum meneruskan hasilnya ke inti kesimpulan.

Sekitar tiga dekade sejak FPAA pertama diusulkan, kemampuan program terus berjalan ke analog. Kombinasi renovasi industri dan adopsi pembelajaran mesin di perangkat berdaya rendah dapat mendorongnya ke arus utama karena fleksibilitas dinamis menjadi lebih dari suatu persyaratan.