Analoge programmeerbaarheid

Als je kijkt naar het succes van de veldprogrammeerbare poortarray (FPGA) bij het vastleggen van een breed scala aan ontwerpen waarbij flexibiliteit belangrijker is dan de volumeprijs, is de aantrekkingskracht om hetzelfde te doen voor analoog heel logisch.

Maar de analoge neef van de FPGA heeft meer moeite gehad.

Conceptueel gezien is de field-programmable analog array (FPAA) maar een beetje jonger dan zijn logisch georiënteerde grote broer: de eerste voorstellen van onderzoekers verschenen eind jaren tachtig, met werk bij twee onafhankelijke groepen, een bij Caltech en de andere bij de Universiteit van zuid Californië. Sindsdien is het concept commercieel uitgeprobeerd, maar met gemengde resultaten. De bekendste voorstander is Anadigm, dat begon als een spin-out van glasfabrikant Pilkington halverwege de jaren negentig voordat het werd overgenomen door Motorola en opnieuw werd gesponnen als een bedrijf gevestigd in de buurt van de Halfgeleider fabrieken uit Arizona van het bedrijf.

Voor zijn onderdelen koos Anadigm voor een geschakeldecondensator implementatie, wat al een techniek was die werd gebruikt bij het ontwerp van ASIC's om op kosteneffectieve wijze analoge functies toe te voegen aan een overwegend digitaal proces. Het snel in- en uitschakelen van op condensatoren gebaseerde circuits biedt de mogelijkheid om te bouwen Weerstand netwerken die nauwkeuriger zijn dan fysieke CMOS-weerstanden en bruikbaar zijn zolang de signaalbandbreedte onder de schakelsnelheid ligt. De wat jongere start-up Okika Technologies heeft op dezelfde manier gekozen voor een geschakelde condensatorbenadering voor het afstemmen van de parameters van on-chip versterkermodules en I / O-cellen die worden geleverd naast digitale opzoektabellen voor besturing.

Een belangrijk probleem voor bedrijven die FPAA's verkopen, is de spanning tussen de behoefte aan kleine afmetingen en flexibiliteit versus kosten en prestaties in een omgeving waar discrete analoge schakelingen, zelfs met zeer specifieke functies, overvloedig en vaak goedkoop zijn.

Andrea Riverso, hoofd productbeheer voor halfgeleiders bij distributeur Farnell, zegt dat gebruikers die behoefte hebben aan snelle prototyping of die aan onderzoekstoepassingen werken, waarschijnlijk meer baat zullen hebben bij programmeerbare-analoge onderdelen. Zodra een vereiste specifiek wordt, kan het kosteneffectiever zijn om een ​​hardwired implementatie te ontwikkelen en toch een zekere mate van programmeerbaarheid toe te voegen, mogelijk door sommige elementen in en uit te schakelen. circuit.

Een belangrijke vraag is hoeveel flexibiliteit in het veld nodig is. Een FPAA kan zinvol zijn als er rekening moet worden gehouden met verschillende sensoringangen en om af te stemmen op de manier waarop hun signalen worden geconditioneerd. De interface moet bijvoorbeeld mogelijk verschillende filters implementeren om met verschillende invoertypen om te gaan. Maar dit is een situatie waarin volledige programmeerbaarheid misschien niet de meest kosteneffectieve optie is. Sommige leveranciers hebben zich ontwikkeld met specifieke applicaties in gedachten die een beperktere configureerbaarheid hebben.

FPAA-voorbeelden

Een voorbeeld is de SWIO-productlijn van Analog Devices, die gebruikmaakt van on-chip, soms met behulp van externe passives, om een ​​verscheidenheid aan sensorinterfaces en instrumenten die signalen te gebruiken met behulp van 4-20mA-stroomlussen, gegevens naar de digitale processor te laten sturen. Volgens Analog is de drijvende kracht achter hun SWIO-productlijn een transitie naar Ethernet die de industriële automatiseringsindustrie doormaakt.

Aan de ene kant proberen bedrijven die oudere analoge instrumenten moeten ondersteunen het aantal platforms dat ze moeten ondersteunen, te verminderen. Het hebben van één enkel bordontwerp dat geschikt is voor de grote verscheidenheid aan sensorinterfaces zou miljoenen dollars aan ontwikkeling kunnen besparen in situaties waarin leveranciers tientallen verschillende I/O-combinaties moeten ondersteunen. Een tweede drijfveer is de Ethernet-transitie zelf, waardoor fabriekseigenaren 4-20 mA-instrumenten op hun plaats kunnen houden, maar ze met systemen kunnen laten praten via het digitale netwerk. Fabrikanten van apparatuur kunnen in principe één configureerbaar leveren module om de omschakeling te ondersteunen.

De PIXI-familie van Maxim Integrated is oorspronkelijk ontwikkeld om een ​​manier te bieden om de eindversterkers in draadloze transceiverontwerpen voor te stellen om het voorraadprobleem te overwinnen dat de sector heeft met het enorme aantal radiobanden dat over de hele wereld wordt gebruikt. Naast speciale temperatuursensoren maken onderdelen zoals de MAX11300 gebruik van onchip ADC's en DAC's die zijn gemultiplexed over een aantal kanalen om verschillende spanningen te meten en te genereren.

Dialoog Halfgeleider's GreenPak biedt een combinatie van digitale sequencing en real-time analoge programmeerbaarheid met de levering van on-chip op-amps en reostaten gecombineerd met digitale opzoektabellen. De onderdelen zijn ontworpen om analoge macrocellen in en uit te kunnen schakelen, zodat de analoge interfaces alleen actief zijn en stroom verbruiken wanneer dat nodig is. De PSoC ontwikkeld door Cypress Semiconductor, dat nu onderdeel is van Infineon Technologies, koppelt zijn programmeerbare analoge macrocellen aan een microcontroller om complexere besturingsscenario's te ondersteunen.

Professor Jennifer Hasler van het Georgia Institute of Technologie stelt dat er, ondanks sommige numerieke analysemethoden, functies zijn die analoge schakelingen potentieel veel efficiënter kunnen uitvoeren

Veranderend systeemontwerp

Een argument dat programmeerbare analogen eindelijk beginnen uit te breken, is niet zozeer een verlangen om de voorraad te verminderen voor ontwerpen zoals industriële sensoren, maar een verandering in het systeemontwerp, geleid door de momenteel modieuze technologie van machine learning. De meeste algoritmen voor machine learning gebruiken een soort lineaire algebra voor numerieke analyse, of het nu gaat om gradiëntafdaling in neuronetwerken of een andere vorm van iteratieve optimalisatie.

Professor Jennifer Hasler van het Georgia Institute of Technology stelt dat hoewel sommige numerieke analysemethoden, zoals matrixfactorisatie veel gemakkelijker zijn op digitale hardware, er functies zijn die analoge schakelingen mogelijk veel efficiënter kunnen uitvoeren. Ze omvatten optimalisatie en differentiatie. Bij gebrek aan snelle digitale computers werd een beroep gedaan op vroege analoge computers.

Hoewel digitale logica voor de meeste banen nog steeds een voordeel heeft in termen van snelheid en dichtheid, heeft analoog computergebruik het potentieel om een ​​sprong voorwaarts te maken in termen van energie-efficiëntie, althans voor de juiste banen. In één experiment van de groep van Hasler was een FPAA in staat om commandowoorden in spraak te herkennen, waarbij slechts 1 µJ per gevolgtrekking nodig was, of ongeveer duizend keer minder dan vergelijkbare digitale implementaties. De FPAA implementeerde een reeks banddoorlaatfilters die werden gebruikt voor feature-extractie, die werden ingevoerd in een eenvoudig machine-learning-algoritme op basis van een analoge matrixvermenigvuldiger en een winnaar-alles-in-classificator die spectrale invoer in een paar geselecteerde symbolen omzet.

Nu in de derde generatie, begon het Georgia Tech RASP-werk als blokken van subcircuits die op verschillende manieren konden worden gecombineerd met behulp van capaciteit op een andere manier dan de implementaties met geschakelde condensatoren. Hier bevindt de capaciteit die wordt benut zich in de zwevende poorten van transistors die zijn ontwikkeld voor niet-vluchtig geheugen. Deze zijn niet nieuw voor FPGA's. Microsemi's apparaten hebben deze technologie voor sommigen benut, hoewel de meeste andere FPGA's SRAM-cellen gebruiken om de verbindingen tussen configureerbare elementen te programmeren, evenals de vermeldingen in hun kernopzoektabellen, maar ze kunnen alleen betrouwbaar digitale waarden bevatten. Floating-gate-schakelaars zijn daarentegen in staat om analoge waarden vast te houden, maar met een beperkte resolutie en nauwkeurigheid.

De meest recente vorm van het Georgia Tech-werk implementeert 600,000 programmeerbare parameters met behulp van een relatief oud 350nm CMOS-proces. De zwevende poorten kunnen dubbele taken uitvoeren doordat veel van hen worden gebruikt in de routeringsstructuur, maar kunnen worden geprogrammeerd om gedeeltelijk aan te zijn en zo de signaalniveaus aanpassen die bestemmingsblokken bereiken. Vergelijkbaar met de benadering die wordt gebruikt in analoge AI-apparaten zoals die gemaakt door Mythic, stelt de analoge aard van de interconnect-matrix het in staat taken uit te voeren zoals matrixvermenigvuldiging door simpelweg ingangssignalen op kruispunten te mengen.

Start-up Aspinity heeft een meer expliciete benadering gekozen om analoge schakelingen toe te passen op machine learning. Het RAMP-apparaat maakt gebruik van analoge schakelingen die werken in het subdrempelregime om energie te besparen met als doel neuromorfe functies te implementeren. Terwijl de Mythic-architectuur zich volledig richt op analoge matrixberekeningen, bevatten de Aspinity AnalogML-kernen interfacefuncties om verbinding te maken met sensoren en andere invoerapparaten en blokken die kunnen worden geconfigureerd om kenmerk-extractie uit te voeren voordat de resultaten worden doorgegeven aan een afleidende kern.

Ongeveer drie decennia nadat de eerste FPAA's werden voorgesteld, vindt programmeerbaarheid gestaag zijn weg naar analoog. Een combinatie van industriële renovatie en de toepassing van machine learning in apparaten met een laag stroomverbruik kan het naar de mainstream duwen, omdat dynamische flexibiliteit meer een vereiste wordt.