תכנות אנלוגי

כשאתה מסתכל על ההצלחה של מערך השערים הניתן לתכנות בשטח (FPGA) בלכידת מגוון רחב של עיצובים בהם גמישות סופרת יותר ממחיר נפח, המשיכה לעשות את אותו הדבר עבור אנלוגי הגיונית מאוד.

אבל בן הדוד האנלוגי של ה- FPGA התמודד יותר עם מאבק.

מבחינה רעיונית, המערך האנלוגי הניתן לתכנות בשטח (FPAA) צעיר רק מעט מאחיו הגדול ההגיוני: ההצעות הראשונות של החוקרים הופיעו בסוף שנות השמונים, עם עבודה בשתי קבוצות עצמאיות, האחת בקלטק והשנייה ב אוניברסיטת דרום קליפורניה. מאז המושג נוסה מסחרית אם כי עם תוצאות מעורבות. התומך המפורסם ביותר היה אנדיגם, שהחל בתור סיבוב של יצרנית הזכוכית פילקינגטון באמצע שנות ה -1980 לפני שנרכש על ידי מוטורולה ושוב הוצג כחברה שבסיסה סמיקונדקטור מפעלים באריזונה של החברה.

עבור חלקיו בחרה אנדיגמה ב- Switched-קבל יישום, שכבר היה טכניקה ששימשה בתכנון של ASICs כדי להוסיף פונקציות אנלוגיות בעלות אפקטיבית לתהליך דיגיטלי בעיקרו. הפעלה וכיבוי מהיר של מעגלים מבוססי קבלים מספק את היכולת לבנות נַגָד רשתות מדויקות יותר מנגדי CMOS פיזיים וניתן להשתמש בהן כל עוד רוחב הפס של האות מתחת לקצב המיתוג. הסטארט-אפ קצת צעיר יותר Okika Technologies בחר באופן דומה בגישה של קבלים מחליפים לכוונון הפרמטרים של מודולי מגברים על שבב ותאי קלט / פלט המסופקים לצד טבלאות חיפוש דיגיטליות לשליטה.

נושא מרכזי עבור חברות שמוכרות FPAA הוא המתח בין הצורך בגודל קטן וגמישות לעומת עלות וביצועים בסביבה בה מעגלים אנלוגיים נפרדים, אפילו עם פונקציות ספציפיות ביותר, הם רבים ולעתים קרובות לא יקרים.

אנדראה ריברסו, מנהלת ניהול מוצרים של מוליכים למחצה במפיץ פרנל, אומרת שמשתמשים עם צורך באב טיפוס מהיר או עבודה על יישומי מחקר עשויים להרוויח יותר מחלקים ניתנים לתכנות. ברגע שהדרישה הופכת ספציפית, זה יכול להיות משתלם יותר לפתח יישום קשיח ועדיין להיות מסוגל להוסיף רמה מסוימת של תכנות, אולי על ידי החלפת חלק מהאלמנטים פנימה והחוצה מעגל.

שאלה מרכזית היא כמה דרושה גמישות בשטח. FPAA יכול להיות הגיוני אם יש צורך לספק כניסות חיישנים שונות ולכוונן את אופן ההתנהלות של האותות שלהם. לדוגמא, הממשק אולי צריך ליישם מגוון פילטרים כדי להתמודד עם סוגי קלט שונים. אך זהו מצב שבו יכולת התכנות המלאה לא תהיה האופציה החסכונית ביותר. ספקים מסוימים התפתחו עם מחשבה על יישומים ספציפיים שיש להם תצורה מוגבלת יותר.

דוגמאות ל- FPAA

דוגמה לכך היא קו מוצרי ה- SWIO של Analog Devices, המשתמש ב- on-chip, לפעמים בעזרת פסיבים חיצוניים, בכדי לאפשר למגוון ממשקי חיישנים ומכשירים המסמנים באמצעות לולאות זרם של 4-20mA להזנת נתונים למעבד הדיגיטלי שלו. על פי אנלוג, הכוח המניע לקו המוצרים שלהם SWIO הוא מעבר לאתרנט שעוברת תעשיית האוטומציה התעשייתית.

מצד אחד, חברות שצריכות לתמוך במכשור אנלוגי מדור קודם מנסות לצמצם את מספר הפלטפורמות שהן צריכות לתמוך בהן. עיצוב לוח יחיד המסוגל לספק את המגוון הרחב של ממשקי החיישנים עשוי לחסוך מיליוני דולרים בפיתוח במצבים שבהם הספקים צריכים לתמוך בעשרות שילובי I/O שונים. מנהל התקן שני הוא מעבר ה-Ethernet עצמו, בכך שהוא מאפשר לבעלי מפעלים לשמור על מכשירי 4-20mA במקום, אך לגרום להם לדבר עם מערכות המשתמשות ברשת הדיגיטלית. יצרני ציוד יכולים, באופן עקרוני, לספק יחיד להגדרה מודול לתמוך במעבר.

משפחת ה- PIXI של Maxim Integrated פותחה במקור בכדי לספק דרך להטות את מגברי הכוח בתכנונים של מקלטים אלחוטיים בכדי לסייע בהתגברות על בעיית המלאי שיש למגזר עם מגוון הלהקות הרדיו הנמצא בשימוש ברחבי העולם. בנוסף לחיישני טמפרטורה ייעודיים, חלקים כגון MAX11300 מעסיקים ADCs ו- DAC של שבב מרובי ריבועים על פני מספר ערוצים למדידה וייצור מתחים שונים.

דיאלוג סמיקונדקטורGreenPak של 's מציע שילוב של רצף דיגיטלי ותכנות אנלוגי בזמן אמת עם אספקת מגברי הפעלה על-שבב ו-rheostats בשילוב עם טבלאות חיפוש דיגיטליות. החלקים מתוכננים כך שיוכלו להפעיל ולנטרל תאים מאקרו אנלוגיים כך שהממשקים האנלוגיים פעילים ומושכים כוח רק בעת הצורך. ה-PSoC שפותח על ידי Cypress Semiconductor, שהוא כעת חלק מ-Infineon Technologies, מצמד את התאים המאקרו-אנלוגיים הניתנים לתכנות שלו למיקרו-בקר כדי לתמוך בתרחישי בקרה מורכבים יותר.

פרופסור ג'ניפר הסלר ממכון ג'ורג'יה של טכנולוגיה טוען שלמרות ששיטות ניתוח מספריות מסוימות, ישנן פונקציות שמעגלים אנלוגיים יכולים לבצע בצורה הרבה יותר יעילה

שינוי תכנון מערכות

טיעון אחד לאנלוגי לתכנות שמתחיל סוף סוף לפרוץ הוא לא כל כך רצון לקצץ מלאי עבור עיצובים כמו חיישנים תעשייתיים אלא שינוי בתכנון מערכות, שהוביל הטכנולוגיה האופנתית של למידת מכונה כיום. רוב האלגוריתמים של למידת מכונה משתמשים באלגברה ליניארית כלשהי לצורך ניתוח מספרי, בין אם זה לצורך ירידה במדרון ברשתות נוירונים ובין אם מדובר באופטימיזציה איטרטיבית מסוג אחר.

פרופסור ג'ניפר האסלר מהמכון הטכנולוגי בג'ורג'יה טוענת שלמרות שכמה משיטות ניתוח מספריות, כגון פקטוריזציה של מטריצות, קלות בהרבה על חומרה דיגיטלית, יש פונקציות שמעגלים אנלוגיים יכולים לעשות ביעילות רבה יותר. הם כוללים אופטימיזציה ובידול. מחשבים אנלוגיים מוקדמים נקראו לבצע עבודות אלה בכדי לטפל בלולאות בקרה בהיעדר מחשבים דיגיטליים מהירים.

למרות שללוגיקה הדיגיטלית עדיין יש יתרון מבחינת מהירות וצפיפות עבור רוב העבודות, למחשוב אנלוגי יש פוטנציאל לזנק קדימה מבחינת יעילות אנרגיה, לפחות למשרות הנכונות. בניסוי אחד של הקבוצה של הסלר, FPAA הצליח לזהות מילות פקודה בדיבור, תוך לקיחת 1 µJ בלבד לכל היסק, או פי אלף פחות מביצועים דיגיטליים דומים. ה- FPAA הטמיע בנק של מסנני מעבר פס ששימשו לחילוץ תכונות, והוזרם לאלגוריתם פשוט של למידת מכונה המבוסס על מכפיל מטריצות אנלוגי ומסווג בעל מנצח כולל שהמיר תשומות ספקטרליות לכמה סמלים נבחרים.

כעת, בדור השלישי שלה, עבודת ה- RASP של ג'ורג'יה טק החלה כבלוקים של תת-מעגלים שניתן לשלב בדרכים שונות תוך שימוש בקיבול באופן שונה ליישומי הקבלים המעוברים. כאן הקיבול המנוצל נמצא בשערים הצפים של טרנזיסטורים שפותחו עבור זיכרון לא נדיף. אלה אינם חדשים ב- FPGA. המכשירים של מיקרוסמי ניצלו את הטכנולוגיה הזו עבור חלק, למרות שרוב ה- FPGA האחרים משתמשים בתאי SRAM כדי לתכנת את החיבורים בין אלמנטים הניתנים להגדרה, כמו גם את הערכים בטבלאות החיפוש המרכזיות שלהם, אך הם יכולים להחזיק רק בערכים דיגיטליים באופן אמין. מפסקי שער צף לעומת זאת מסוגלים להחזיק ערכים אנלוגיים, אם כי ברזולוציה ובדיוק מוגבלים.

הצורה האחרונה של עבודת ג'ורג'יה טק מיישמת 600,000 פרמטרים ניתנים לתכנות תוך שימוש בתהליך CMOS ישן יחסית של 350 ננומטר. השערים הצפים יכולים לבצע חובות כפולות בכך שרבים מהם משמשים במרקם הניתוב אך ניתן לתכנת אותם להיות מופעלים חלקית וכך להתאים את רמות האות המגיעות לחסימת יעד. בדומה לגישה הנהוגה במכשירי AI אנלוגיים כמו אלה שנעשו על ידי Mythic, האופי האנלוגי של מטריצת הקישור מאפשר לה לבצע משימות כגון כפל מטריצות פשוט על ידי ערבוב אותות קלט בנקודות צולבות.

סטארט-אפ אספיניטי נקט גישה מפורשת יותר להחלת מעגלים אנלוגיים על למידת מכונה. מכשיר ה- RAMP שלו משתמש במעגלים אנלוגיים הפועלים במשטר סף המשנה כדי לחסוך בחשמל במטרה ליישם פונקציות נוירומורפיות. בעוד שהארכיטקטורה המיתית מתמקדת בחשבון של מטריצות אנלוגיות, ליבות ה- Aspinity AnalogML כוללות פונקציות ממשק לחיבור לחיישנים והתקני קלט אחרים ובלוקים שניתן להגדיר לבצע חילוץ תכונות לפני העברת התוצאות לליבת המסקנות.

כשלושה עשורים מה- FPAA הראשונים שהוצעו, התכנות יכול לעשות את דרכו לאנלוגי. שילוב של שיפוץ תעשייתי ואימוץ למידת מכונה במכשירים בעלי צריכת חשמל נמוכה עשוי לדחוף אותו למיינסטרים ככל שגמישות דינמית הופכת לדרישה יותר.