Возможность аналогового программирования

Если посмотреть на успех программируемой вентильной матрицы (FPGA / ПРОГРАММИРУЕМАЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕМ ВЕНТИЛЬНАЯ МАТРИЦА) при охвате широкого диапазона дизайнов, где гибкость важнее, чем цена объема, стремление сделать то же самое для аналоговых устройств имеет большой смысл.

Но аналог FPGA столкнулся с большей борьбой.

Концептуально программируемая аналоговая матрица (FPAA) лишь немного моложе своего старшего брата, ориентированного на логику: первые предложения исследователей появились в конце 1980-х годов, когда они работали в двух независимых группах, одна в Калифорнийском технологическом институте, а другая - в Институте. Университет Южной Калифорнии. С тех пор эта концепция была опробована на коммерческой основе, хотя и с неоднозначными результатами. Самым известным сторонником была компания Anadigm, которая начиналась как дочернее предприятие стеклодувной компании Pilkington в середине 1990-х годов, прежде чем была приобретена Motorola и снова была выделена как компания, расположенная недалеко от Полупроводниковое компании Arizona fabs.

Для своих частей Anadigm выбрала переключаемыйконденсатор Эта технология уже использовалась при разработке ASIC для экономичного добавления аналоговых функций к преимущественно цифровому процессу. Быстрое включение и выключение схем на основе конденсаторов дает возможность построить резистор сети, которые являются более точными, чем физические резисторы CMOS, и могут использоваться, пока ширина полосы сигнала ниже скорости переключения. Несколько более молодой стартап Okika Technologies аналогичным образом выбрал подход с переключаемыми конденсаторами для настройки параметров встроенных усилительных модулей и ячеек ввода-вывода, которые предоставляются вместе с цифровыми справочными таблицами для управления.

Ключевой проблемой для компаний, продающих FPAA, является противоречие между потребностью в небольшом размере и гибкости и стоимостью и производительностью в среде, где дискретные аналоговые схемы, даже с очень специфическими функциями, многочисленны и часто недороги.

Андреа Риверсо, руководитель отдела управления продуктами для полупроводников в дистрибьюторской компании Farnell, говорит, что пользователи, которым необходимо быстрое создание прототипов или работающие над исследовательскими приложениями, скорее всего, получат больше пользы от программируемых аналоговых компонентов. Как только требование становится конкретным, может быть более рентабельным разработать аппаратную реализацию и по-прежнему иметь возможность добавить некоторый уровень программируемости, возможно, путем переключения некоторых элементов в и из схема.

Ключевой вопрос заключается в том, насколько необходима гибкость в полевых условиях. FPAA может иметь смысл, если есть необходимость обслуживать различные входы датчиков и настраивать их сигналы. Например, в интерфейсе может потребоваться реализовать множество фильтров, чтобы справиться с различными типами ввода. Но это ситуация, когда полная программируемость может быть не самым рентабельным вариантом. Некоторые поставщики разработали специальные приложения, которые имеют более ограниченные возможности настройки.

Примеры FPAA

Примером может служить линейка продуктов SWIO компании Analog Devices, в которой используются встроенные микросхемы, иногда с помощью внешних пассивных устройств, позволяющие различным интерфейсам датчиков и приборам, которые сигнализируют с использованием токовых петель 4–20 мА, передавать данные на свой цифровой процессор. Согласно Analog, движущей силой их линейки продуктов SWIO является переход на Ethernet, который переживает индустрия промышленной автоматизации.

С одной стороны, компании, которым необходимо поддерживать устаревшие аналоговые приборы, пытаются сократить количество платформ, которые им необходимо поддерживать. Наличие единой конструкции платы, способной поддерживать широкий спектр интерфейсов датчиков, может сэкономить миллионы долларов на разработке в ситуациях, когда поставщикам приходится поддерживать десятки различных комбинаций ввода-вывода. Вторым драйвером является сам переход на Ethernet, позволяющий владельцам предприятий оставлять приборы с током 4–20 мА на месте, но заставлять их общаться с системами, использующими цифровую сеть. Производители оборудования, в принципе, могут предоставить единый конфигурируемый модуль поддержать переход.

Семейство PIXI от Maxim Integrated изначально было разработано для того, чтобы обеспечить возможность смещения усилителей мощности в конструкциях беспроводных трансиверов, чтобы помочь преодолеть проблему инвентаризации, которая возникает в этом секторе из-за огромного диапазона радиодиапазонов, используемых во всем мире. В дополнение к специальным датчикам температуры, такие компоненты, как MAX11300, используют встроенные АЦП и ЦАП, мультиплексированные по нескольким каналам, для измерения и генерации различных напряжений.

Диалог ПолупроводниковоеGreenPak от компании GreenPak предлагает сочетание цифрового секвенирования и аналогового программирования в реальном времени с использованием встроенных операционных усилителей и реостатов в сочетании с цифровыми справочными таблицами. Детали спроектированы так, чтобы иметь возможность включать и отключать аналоговые макроячейки, чтобы аналоговые интерфейсы были активны и потребляли энергию только тогда, когда это необходимо. PSoC, разработанный Cypress Semiconductor, которая сейчас является частью Infineon Technologies, объединяет свои программируемые аналоговые макроячейки с микроконтроллером для поддержки более сложных сценариев управления.

Профессор Дженнифер Хаслер из Института Джорджии Технологии утверждает, что, несмотря на некоторые методы численного анализа, существуют функции, которые аналоговые схемы потенциально могут выполнять гораздо эффективнее.

Изменение дизайна системы

Одним из аргументов в пользу того, что программируемые аналоги, наконец, начинают появляться, является не столько желание сократить инвентарь для таких конструкций, как промышленные датчики, сколько изменение в конструкции систем, ведущееся к модной в настоящее время технологии машинного обучения. Большинство алгоритмов машинного обучения используют какую-то линейную алгебру для численного анализа, будь то градиентный спуск в нейронных сетях или какой-то другой вид итеративной оптимизации.

Профессор Дженнифер Хаслер из Технологического института Джорджии утверждает, что, хотя некоторые методы численного анализа, такие как матричная факторизация, намного проще на цифровом оборудовании, есть функции, которые аналоговые схемы потенциально могут выполнять гораздо более эффективно. Они включают оптимизацию и дифференциацию. Ранние аналоговые компьютеры были призваны выполнять эту работу для обработки контуров управления в отсутствие быстрых цифровых компьютеров.

Хотя цифровая логика по-прежнему имеет преимущество с точки зрения скорости и плотности для большинства рабочих мест, аналоговые вычисления могут вывести вперед с точки зрения энергоэффективности, по крайней мере, для правильных рабочих мест. В одном эксперименте, проведенном группой Хаслера, FPAA смог распознать командные слова в речи, потребляя всего 1 мкДж на вывод, что примерно в тысячу раз меньше, чем аналогичные цифровые реализации. FPAA реализовал банк полосовых фильтров, которые использовались для извлечения признаков, вводя их в простой алгоритм машинного обучения, основанный на аналоговом матричном умножителе и классификаторе «победитель получает все», который преобразовывал спектральные входные данные в несколько выбранных символов.

Теперь в своем третьем поколении работа RASP Технологического института Джорджии началась с блоков подсхем, которые можно было комбинировать различными способами, используя емкость, иным образом по сравнению с реализациями с переключаемыми конденсаторами. Здесь используется емкость в плавающих затворах транзисторов, разработанных для энергонезависимой памяти. Это не новость для ПЛИС. Устройства Microsemi использовали эту технологию для некоторых, хотя большинство других FPGA используют ячейки SRAM для программирования соединений между настраиваемыми элементами, а также записей в своих основных справочных таблицах, но могут надежно хранить только цифровые значения. С другой стороны, переключатели с плавающим затвором способны удерживать аналоговые значения, хотя и с ограниченным разрешением и точностью.

Самая последняя форма работы Технологического института Джорджии реализует 600,000 350 программируемых параметров с использованием относительно старого XNUMX-нанометрового процесса CMOS. Плавающие шлюзы могут выполнять двойную функцию, поскольку многие из них используются в матрице маршрутизации, но могут быть запрограммированы на частичное включение и, таким образом, регулировать уровни сигналов, которые достигают блоков назначения. Подобно подходу, используемому в аналоговых устройствах искусственного интеллекта, таких как разработанные Mythic, аналоговая природа матрицы межсоединений позволяет ей выполнять такие задачи, как умножение матриц, просто путем смешивания входных сигналов в точках пересечения.

Стартап Aspinity использует более явный подход к применению аналоговых схем в машинном обучении. Его устройство RAMP использует аналоговую схему, работающую в подпороговом режиме, для экономии энергии с целью реализации нейроморфных функций. В то время как архитектура Mythic сосредоточена непосредственно на арифметике аналоговых матриц, ядра Aspinity AnalogML включают интерфейсные функции для подключения к датчикам и другим устройствам ввода, а также блоки, которые можно настроить для выполнения извлечения признаков перед передачей результатов в ядро ​​вывода.

Спустя примерно три десятилетия после того, как были предложены первые FPAA, возможности программирования неуклонно переходят в аналог. Сочетание промышленного обновления и внедрения машинного обучения в устройствах с низким энергопотреблением может подтолкнуть его к распространению, поскольку динамическая гибкость становится все более требовательной.