Pengaturcaraan analog

Apabila anda melihat kejayaan array gerbang yang dapat diprogramkan di lapangan (FPGA) dalam menangkap pelbagai reka bentuk di mana fleksibiliti lebih tinggi daripada harga kelantangan, daya tarikan untuk melakukan perkara yang sama untuk analog masuk akal.

Tetapi sepupu analog FPGA menghadapi lebih banyak perjuangan.

Secara konseptual, array analog yang dapat diprogramkan di lapangan (FPAA) hanya sedikit lebih muda daripada kakaknya yang berorientasikan logik: cadangan pertama dari penyelidik muncul pada akhir 1980-an, dengan bekerja di dua kumpulan bebas, satu di Caltech dan yang lain di Universiti California Selatan. Sejak itu konsep tersebut dicuba secara komersial walaupun dengan hasil yang bercampur-campur. Penyokong yang paling terkenal adalah Anadigm, yang bermula sebagai pemula dari pembuat kaca Pilkington pertengahan 1990-an sebelum diakuisisi oleh Motorola dan sekali lagi muncul sebagai syarikat yang berpusat di sekitar Semikonduktor syarikat Arizona fabs.

Untuk bahagiannya Anadigm memilih suis-kapasitor pelaksanaan, yang merupakan teknik yang digunakan dalam reka bentuk ASIC untuk menambah fungsi analog secara kos efektif kepada proses yang kebanyakannya digital. Menghidupkan dan mematikan litar berasaskan kapasitor dengan pantas menyediakan keupayaan untuk membina Perintang rangkaian yang lebih tepat daripada perintang CMOS fizikal dan boleh digunakan selagi lebar jalur isyarat berada di bawah kadar peralihan. Syarikat Okika Technologies yang agak muda telah memilih pendekatan kapasitor beralih untuk menala parameter modul penguat on-chip dan sel I / O yang disediakan di samping jadual carian digital untuk kawalan.

Masalah utama bagi syarikat yang menjual FPAA adalah ketegangan antara keperluan untuk ukuran kecil dan fleksibiliti berbanding kos dan prestasi dalam persekitaran di mana litar analog diskrit, walaupun dengan fungsi yang sangat spesifik, banyak dan sering tidak mahal.

Andrea Riverso, ketua pengurusan produk semikonduktor di pengedar Farnell, mengatakan bahawa pengguna yang memerlukan prototaip cepat atau mengusahakan aplikasi penyelidikan cenderung mendapat keuntungan lebih banyak daripada bahagian analog yang dapat diprogramkan. Setelah keperluan menjadi spesifik, lebih efektif untuk mengembangkan implementasi berkabel dan masih dapat menambahkan tahap pengaturcaraan, mungkin dengan menukar beberapa elemen masuk dan keluar dari litar.

Soalan utama ialah berapa banyak fleksibiliti di lapangan yang diperlukan. FPAA dapat masuk akal jika ada keperluan untuk memenuhi input sensor yang berbeza dan untuk menyesuaikan bagaimana isyaratnya dikondisikan. Sebagai contoh, antara muka mungkin perlu melaksanakan pelbagai saringan untuk mengatasi berbagai jenis input. Tetapi ini adalah keadaan di mana programprogram penuh mungkin bukan pilihan yang paling menjimatkan. Beberapa vendor telah berkembang dengan mempertimbangkan aplikasi tertentu yang mempunyai konfigurasi yang lebih terhad.

Contoh FPAA

Contohnya ialah barisan produk SWIO Analog Devices, yang menggunakan on-chip, kadang-kadang dengan bantuan pasif luaran, untuk membiarkan pelbagai antara muka sensor dan instrumen yang memberi isyarat menggunakan gelung semasa 4-20mA untuk memberi data kepada pemproses digitalnya. Menurut Analog, kekuatan pendorong untuk rangkaian produk SWIO mereka adalah peralihan ke Ethernet yang sedang dilalui oleh industri automasi industri.

Di satu pihak, syarikat yang perlu menyokong instrumentasi analog lama cuba mengurangkan bilangan platform yang mereka perlukan untuk menyokong. Mempunyai reka bentuk papan tunggal yang mampu memenuhi pelbagai jenis antara muka penderia boleh menjimatkan berjuta-juta dolar dalam pembangunan dalam situasi di mana vendor perlu menyokong berpuluh-puluh kombinasi I/O yang berbeza. Pemacu kedua ialah peralihan Ethernet itu sendiri, dengan membenarkan pemilik kilang menyimpan instrumen 4-20mA di tempat tetapi meminta mereka bercakap dengan sistem menggunakan rangkaian digital. Pembuat peralatan boleh, pada dasarnya, menyediakan satu boleh dikonfigurasikan modul untuk menyokong pertukaran itu.

Keluarga PIXI Maxim Integrated dikembangkan pada asalnya untuk menyediakan cara untuk memihak penguat kuasa dalam reka bentuk transceiver tanpa wayar untuk membantu mengatasi masalah inventori yang dihadapi oleh sektor dengan rangkaian jalur radio yang banyak digunakan di seluruh dunia. Sebagai tambahan kepada sensor suhu khusus, bahagian seperti MAX11300 menggunakan ADC onchip dan DAC yang berlipat ganda di sebilangan saluran untuk mengukur dan menghasilkan voltan yang berbeza.

Dialog SemikonduktorGreenPak menawarkan gabungan penjujukan digital dan kebolehprograman analog masa nyata dengan penyediaan op-amp dan rheostat pada cip digabungkan dengan jadual carian digital. Bahagian tersebut direka bentuk untuk membolehkan dan melumpuhkan makrosel analog supaya antara muka analog hanya aktif dan menarik kuasa apabila diperlukan. PSoC yang dibangunkan oleh Cypress Semiconductor, yang kini merupakan sebahagian daripada Infineon Technologies, menggabungkan makrosel analog boleh atur caranya kepada mikropengawal untuk menyokong senario kawalan yang lebih kompleks.

Profesor Jennifer Hasler dari Institut Georgia Teknologi berhujah bahawa walaupun beberapa kaedah analisis berangka, terdapat fungsi yang boleh dilakukan oleh litar analog dengan lebih cekap.

Mengubah reka bentuk sistem

Satu argumen untuk analog yang dapat diprogram akhirnya mulai pecah bukanlah keinginan untuk memotong inventori untuk reka bentuk seperti sensor industri tetapi perubahan dalam reka bentuk sistem, yang dipimpin oleh teknologi pembelajaran mesin yang kini bergaya. Sebilangan besar algoritma pembelajaran mesin menggunakan sejenis aljabar linear untuk analisis berangka, sama ada untuk penurunan gradien dalam rangkaian neuron atau beberapa jenis pengoptimuman berulang.

Profesor Jennifer Hasler dari Institut Teknologi Georgia berpendapat bahawa walaupun beberapa kaedah analisis berangka, seperti faktorisasi matriks jauh lebih mudah pada perkakasan digital, terdapat fungsi yang dapat dilakukan oleh litar analog yang jauh lebih berkesan. Ini merangkumi pengoptimuman dan pembezaan. Komputer analog awal diminta untuk melakukan pekerjaan tersebut untuk menangani gelung kawalan sekiranya komputer digital tidak cepat.

Walaupun logik digital masih mempunyai kelebihan dari segi kelajuan dan kepadatan untuk kebanyakan pekerjaan, pengkomputeran analog berpotensi untuk maju dalam hal kecekapan tenaga, sekurang-kurangnya untuk pekerjaan yang tepat. Dalam satu eksperimen oleh kumpulan Hasler, FPAA dapat mengenali kata perintah dalam pertuturan, hanya mengambil 1µJ setiap kesimpulan, atau sekitar seribu kali kurang daripada pelaksanaan digital yang serupa. FPAA menerapkan sekumpulan penapis jalur lebar yang digunakan untuk pengekstrakan ciri, memasukkan algoritma pembelajaran mesin sederhana berdasarkan pengganda matriks analog dan pengklasifikasi pemenang-mengambil-semua yang mengubah input spektrum menjadi beberapa simbol yang dipilih.

Kini dalam generasi ketiganya, pekerjaan Georgia Tech RASP dimulakan sebagai blok sub-litar yang dapat digabungkan dengan cara yang berbeda menggunakan kapasitansi dengan cara yang berbeda dengan implementasi kapasitor yang diubah. Di sini kapasitansi yang dieksploitasi berada di pintu gerbang transistor yang dikembangkan untuk memori yang tidak mudah berubah. Ini bukan perkara baru bagi FPGA. Peranti Microsemi telah memanfaatkan teknologi ini untuk beberapa orang walaupun kebanyakan FPGA lain menggunakan sel SRAM untuk memprogramkan hubungan antara elemen yang dapat dikonfigurasi serta entri dalam jadual pencarian inti mereka tetapi hanya dapat menyimpan nilai digital dengan andal. Suis gerbang terapung di sisi lain mampu menahan nilai analog, walaupun dengan resolusi dan ketepatan yang terhad.

Bentuk kerja terbaru Georgia Tech menerapkan 600,000 parameter yang dapat diprogramkan menggunakan proses CMOS 350nm yang agak lama. Gerbang terapung dapat melakukan tugas ganda kerana banyak di antaranya digunakan dalam kain penghala tetapi dapat diprogramkan untuk menyala sebagian dan menyesuaikan tahap sinyal yang mencapai blok tujuan. Sama dengan pendekatan yang digunakan dalam peranti AI analog seperti yang dibuat oleh Mythic, sifat analog dari matriks interkoneksi memungkinkannya melakukan tugas seperti pendaraban matriks hanya dengan mencampurkan isyarat input pada titik silang.

Start-up Aspinity telah mengambil pendekatan yang lebih eksplisit untuk menerapkan litar analog untuk pembelajaran mesin. Peranti RAMPnya menggunakan litar analog yang beroperasi dalam rejim subthreshold untuk menjimatkan kuasa dengan tujuan melaksanakan fungsi neuromorfik. Walaupun seni bina Mythic memberi tumpuan tepat pada aritmetik matriks analog, teras Aspinity AnalogML merangkumi fungsi antara muka untuk menyambung ke sensor dan peranti input lain dan blok yang dapat dikonfigurasi untuk melakukan pengekstrakan ciri sebelum menyampaikan hasilnya ke inti inferens.

Kira-kira tiga dekad dari FPAA pertama yang dicadangkan, kebolehprogram terus berjalan ke analog. Kombinasi pengubahsuaian industri dan penerapan pembelajaran mesin dalam peranti berkuasa rendah dapat mendorongnya ke arus perdana kerana fleksibiliti dinamik menjadi lebih penting.