아날로그 프로그래밍 기능
현장 프로그래밍이 가능한 게이트 어레이 (FPGA) 유연성이 볼륨 가격보다 중요한 광범위한 디자인을 캡처 할 때 아날로그에 대해 동일한 작업을 수행하는 매력이 타당합니다.
그러나 FPGA의 아날로그 사촌은 더 많은 어려움에 직면 해 있습니다.
개념적으로 필드 프로그래밍 가능 아날로그 어레이 (FPAA)는 논리 지향적 인 빅 브라더보다 조금 더 젊습니다. 연구자들의 첫 번째 제안은 1980 년대 후반에 두 개의 독립적 인 그룹 (하나는 Caltech에서, 다른 하나는 서던 캘리포니아 대학교. 그 이후로 개념은 혼합 된 결과로 상업적으로 시도되었습니다. 가장 유명한 지지자는 Anadigm으로, 1990 년대 중반 유리 제조업 자 Pilkington의 분사로 시작하여 Motorola에 인수되었고 다시 한 번 모토로라에 기반을 둔 회사로 분사되었습니다. 반도체 회사의 애리조나 팹.
해당 부분에 대해 Anadigm은 스위치를 선택했습니다.콘덴서 이는 주로 디지털 프로세스에 아날로그 기능을 비용 효율적으로 추가하기 위해 ASIC 설계에 이미 사용된 기술이었습니다. 커패시터 기반 회로를 빠르게 켜고 끄는 기능을 제공합니다. 저항기 물리적 CMOS 저항기보다 더 정확하고 신호 대역폭이 스위칭 속도 미만인 한 사용할 수있는 네트워크. 다소 젊은 신생 기업인 Okika Technologies는 제어를 위해 디지털 룩업 테이블과 함께 제공되는 온칩 증폭기 모듈 및 I / O 셀의 매개 변수를 조정하기 위해 스위치드 커패시터 방식을 유사하게 선택했습니다.
FPAA를 판매하는 회사의 주요 문제는 고도로 특정한 기능이 있더라도 개별 아날로그 회로가 풍부하고 종종 저렴한 환경에서 비용 및 성능에 비해 작은 크기와 유연성에 대한 필요성 사이의 긴장입니다.
유통 업체 Farnell의 반도체 제품 관리 책임자 인 Andrea Riverso는 빠른 프로토 타이핑이 필요하거나 연구 애플리케이션 작업을하는 사용자가 프로그래밍 가능한 아날로그 부품의 이점을 더 많이 얻을 수 있다고 말합니다. 요구 사항이 구체화되면 하드 와이어 구현을 개발하는 것이 더 비용 효율적이면서도 일부 요소를 내부 및 외부로 전환하여 일정 수준의 프로그래밍 가능성을 추가 할 수 있습니다. 회로.
중요한 질문은 얼마나 많은 현장 유연성이 필요한지입니다. FPAA는 다양한 센서 입력을 수용하고 신호가 조정되는 방식을 조정해야하는 경우 의미가 있습니다. 예를 들어 인터페이스는 다양한 입력 유형에 대처하기 위해 다양한 필터를 구현해야 할 수 있습니다. 그러나 이것은 완전한 프로그래밍 기능이 가장 비용 효율적인 옵션이 아닐 수있는 상황입니다. 일부 공급 업체는 구성 가능성이 더 제한된 특정 응용 프로그램을 염두에두고 개발했습니다.
FPAA 예
예를 들어 Analog Devices의 SWIO 제품 라인은 온칩을 사용하며 때로는 외부 패시브의 도움을 받아 4-20mA 전류 루프를 사용하여 신호를 보내는 다양한 센서 인터페이스와 계측기를 디지털 프로세서에 공급합니다. Analog에 따르면 SWIO 제품 라인의 원동력은 산업 자동화 산업이 겪고있는 이더넷으로의 전환입니다.
한편으로는 레거시 아날로그 계측을 지원해야 하는 기업이 지원해야 하는 플랫폼의 수를 줄이려고 노력하고 있습니다. 다양한 센서 인터페이스를 충족할 수 있는 단일 보드 설계를 갖추면 공급업체가 수십 개의 서로 다른 I/O 조합을 지원해야 하는 상황에서 개발에 수백만 달러를 절약할 수 있습니다. 두 번째 동인은 공장 소유자가 4~20mA 계측기를 제자리에 유지하면서 디지털 네트워크를 사용하여 시스템과 통신할 수 있도록 하는 이더넷 전환 자체입니다. 장비 제조사는 원칙적으로 단일 구성 가능 제품을 제공할 수 있습니다. 모듈 전환을 지원합니다.
Maxim Integrated의 PIXI 제품군은 원래 무선 트랜시버 설계에서 전력 증폭기를 바이어스하는 방법을 제공하기 위해 개발되어 전 세계에서 사용되는 광범위한 무선 대역에 대한 재고 문제를 극복하는 데 도움이됩니다. 전용 온도 센서 외에도 MAX11300과 같은 부품은 다양한 전압을 측정하고 생성하기 위해 여러 채널에 걸쳐 멀티플렉싱 된 온칩 ADC 및 DAC를 사용합니다.
대화 반도체의 GreenPak은 디지털 룩업 테이블과 결합된 온칩 연산 증폭기 및 가변 저항을 제공하여 디지털 시퀀싱과 실시간 아날로그 프로그래밍 기능의 조합을 제공합니다. 부품은 아날로그 인터페이스가 필요할 때만 활성화되고 전력을 끌어오도록 아날로그 매크로셀을 활성화 및 비활성화할 수 있도록 설계되었습니다. 현재 Infineon Technologies의 일부가 된 Cypress Semiconductor가 개발한 PSoC는 프로그래밍 가능 아날로그 매크로셀을 마이크로컨트롤러에 결합하여 보다 복잡한 제어 시나리오를 지원합니다.
조지아 연구소의 제니퍼 해슬러(Jennifer Hasler) 교수 Technology 일부 수치 분석 방법을 통해 아날로그 회로가 잠재적으로 훨씬 더 효율적으로 수행할 수 있는 기능이 있다고 주장합니다.
시스템 설계 변경
프로그래밍 가능한 아날로그가 마침내 등장하기 시작하는 한 가지 주장은 산업용 센서와 같은 디자인의 재고를 줄이고 자하는 욕구가 아니라 현재 유행하는 머신 러닝 기술이 주도하는 시스템 디자인의 변화입니다. 대부분의 기계 학습 알고리즘은 뉴런 네트워크의 경사 하강 법이든 다른 종류의 반복적 최적화이든 상관없이 수치 분석을 위해 일종의 선형 대수를 사용합니다.
Georgia Institute of Technology의 Jennifer Hasler 교수는 매트릭스 분해와 같은 일부 수치 분석 방법이 디지털 하드웨어에서 훨씬 더 쉽지만 아날로그 회로가 잠재적으로 훨씬 더 효율적으로 수행 할 수있는 기능이 있다고 주장합니다. 여기에는 최적화와 차별화가 포함됩니다. 초기 아날로그 컴퓨터는 빠른 디지털 컴퓨터가 없을 때 제어 루프를 처리하기 위해 이러한 작업을 수행하도록 요청되었습니다.
디지털 로직은 여전히 대부분의 작업에서 속도와 밀도 측면에서 이점이 있지만, 아날로그 컴퓨팅은 적어도 올바른 작업을 위해 에너지 효율성 측면에서 도약 할 잠재력이 있습니다. Hasler 그룹의 한 실험에서 FPAA는 음성에서 명령어를 인식 할 수 있었으며 추론 당 1µJ 만 사용하거나 유사한 디지털 구현보다 약 천 배나 적었습니다. FPAA는 특징 추출에 사용 된 대역 통과 필터 뱅크를 구현하여 아날로그 매트릭스 승수 및 스펙트럼 입력을 몇 개의 선택된 기호로 변환하는 승자 독식 분류기를 기반으로 한 간단한 기계 학습 알고리즘을 제공합니다.
이제 XNUMX 세대에서 Georgia Tech RASP 작업은 스위치드 커패시터 구현과 다른 방식으로 커패시턴스를 사용하여 다양한 방식으로 결합 할 수있는 서브 회로 블록으로 시작되었습니다. 여기서 활용되는 커패시턴스는 비 휘발성 메모리 용으로 개발 된 트랜지스터의 플로팅 게이트에 있습니다. 이것은 FPGA에 새로운 것이 아닙니다. Microsemi의 장치는 대부분의 다른 FPGA가 SRAM 셀을 사용하여 구성 가능한 요소와 핵심 룩업 테이블의 항목 간의 연결을 프로그래밍하지만 디지털 값만 안정적으로 유지할 수 있지만 일부를 위해이 기술을 활용했습니다. 반면에 플로팅 게이트 스위치는 제한된 해상도와 정확도로 아날로그 값을 유지할 수 있습니다.
가장 최근의 Georgia Tech 작업은 비교적 오래된 600,000nm CMOS 공정을 사용하여 350 개의 프로그래밍 가능한 매개 변수를 구현합니다. 플로팅 게이트는 대부분이 라우팅 패브릭에 사용된다는 점에서 이중 작업을 수행 할 수 있지만 부분적으로 켜져 있도록 프로그래밍 할 수 있으므로 대상 블록에 도달하는 신호 레벨을 조정할 수 있습니다. Mythic에서 만든 것과 같은 아날로그 AI 장치에 사용되는 접근 방식과 유사하게 상호 연결 매트릭스의 아날로그 특성은 교차점에서 입력 신호를 혼합하여 매트릭스 곱셈과 같은 작업을 수행 할 수 있습니다.
스타트 업 Aspinity는 기계 학습에 아날로그 회로를 적용하는 데보다 명확한 접근 방식을 취했습니다. RAMP 장치는 뉴 로모 픽 기능을 구현할 목적으로 전력을 절약하기 위해 임계 값 이하 영역에서 작동하는 아날로그 회로를 사용합니다. Mythic 아키텍처는 아날로그 매트릭스 산술에 초점을 맞추는 반면 Aspinity AnalogML 코어에는 결과를 추론 코어로 전달하기 전에 기능 추출을 수행하도록 구성 할 수있는 센서 및 기타 입력 장치에 연결하는 인터페이스 기능이 포함되어 있습니다.
첫 번째 FPAA가 제안 된 후 약 XNUMX 년이 지난 지금 프로그래밍 가능성은 꾸준히 아날로그로 발전하고 있습니다. 산업 혁신과 저전력 장치의 머신 러닝 채택이 결합되면 동적 유연성이 더 많이 요구됨에 따라이를 주류로 끌어 올릴 수 있습니다.