ความสามารถในการตั้งโปรแกรมแบบอะนาล็อก

เมื่อคุณดูความสำเร็จของเกตอาร์เรย์ที่ตั้งโปรแกรมฟิลด์ได้ (FPGA) ในการจับภาพการออกแบบที่หลากหลายซึ่งความยืดหยุ่นมีค่ามากกว่าราคาตามปริมาณการดึงดูดที่จะทำเช่นเดียวกันสำหรับอะนาล็อกนั้นมีความหมายมาก

แต่ลูกพี่ลูกน้องแบบอะนาล็อกของ FPGA ต้องเผชิญกับการต่อสู้มากขึ้น

ตามแนวคิดแล้วอาร์เรย์อะนาล็อกที่ตั้งโปรแกรมภาคสนาม (FPAA) มีอายุน้อยกว่าพี่ใหญ่ที่เน้นตรรกะเพียงเล็กน้อยข้อเสนอแรกจากนักวิจัยปรากฏในช่วงปลายทศวรรษ 1980 โดยมีการทำงานในกลุ่มอิสระสองกลุ่มกลุ่มหนึ่งที่คาลเทคและอีกกลุ่มหนึ่งที่ มหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนีย ตั้งแต่นั้นมาแนวคิดนี้ได้รับการทดลองในเชิงพาณิชย์แม้ว่าจะมีผลลัพธ์ที่หลากหลาย ผู้เสนอที่มีชื่อเสียงที่สุดคือ Anadigm ซึ่งเริ่มต้นจากการแยกตัวออกมาจากผู้ผลิตแก้ว Pilkington ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 ก่อนที่ Motorola จะถูกซื้อกิจการและถูกแยกตัวออกมาอีกครั้งในฐานะ บริษัท ที่ตั้งอยู่ใกล้กับ สารกึ่งตัวนำ บริษัท แอริโซนา fabs

สำหรับส่วนของ Anadigm เลือกสวิตช์-capacitor การใช้งานซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ในการออกแบบ ASIC อยู่แล้วเพื่อเพิ่มฟังก์ชันอะนาล็อกซึ่งคุ้มค่ากับกระบวนการดิจิทัลส่วนใหญ่ การเปิดและปิดวงจรแบบคาปาซิเตอร์อย่างรวดเร็วช่วยให้สามารถสร้างได้ ตัวต้านทาน เครือข่ายที่มีความแม่นยำมากกว่าตัวต้านทาน CMOS ทางกายภาพและใช้ได้ตราบเท่าที่แบนด์วิดท์ของสัญญาณต่ำกว่าอัตราการสลับ Okika Technologies ที่เพิ่งเริ่มต้นใช้งานที่อายุน้อยกว่าได้เลือกวิธีการเปลี่ยนตัวเก็บประจุในทำนองเดียวกันสำหรับการปรับแต่งพารามิเตอร์ของโมดูลแอมพลิฟายเออร์บนชิปและเซลล์ I / O ที่มีให้พร้อมกับตารางการค้นหาดิจิทัลเพื่อการควบคุม

ปัญหาสำคัญสำหรับ บริษัท ที่ขาย FPAAs คือความตึงเครียดระหว่างความต้องการขนาดที่เล็กและความยืดหยุ่นเมื่อเทียบกับต้นทุนและประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมที่วงจรอะนาล็อกแบบไม่ต่อเนื่องแม้จะมีฟังก์ชันที่เฉพาะเจาะจงสูง แต่ก็มีมากมายและมักมีราคาไม่แพง

Andrea Riverso หัวหน้าฝ่ายจัดการผลิตภัณฑ์สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ของ Farnell ผู้จัดจำหน่ายกล่าวว่าผู้ใช้ที่ต้องการการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วหรือทำงานเกี่ยวกับแอปพลิเคชันการวิจัยมีแนวโน้มที่จะได้รับประโยชน์มากขึ้นจากชิ้นส่วนอะนาล็อกที่ตั้งโปรแกรมได้ เมื่อความต้องการมีความเฉพาะเจาะจงแล้วการพัฒนาการใช้งานแบบเดินสายจะคุ้มค่ากว่าและยังสามารถเพิ่มความสามารถในการเขียนโปรแกรมได้ในระดับหนึ่งโดยการสลับองค์ประกอบบางอย่างเข้าและออกจาก วงจรไฟฟ้า.

คำถามสำคัญคือความยืดหยุ่นในสนามจำเป็นแค่ไหน FPAA มีความสมเหตุสมผลหากจำเป็นต้องรองรับอินพุตเซ็นเซอร์ที่แตกต่างกันและเพื่อปรับวิธีการปรับสภาพสัญญาณ ตัวอย่างเช่นอินเทอร์เฟซอาจต้องใช้ตัวกรองที่หลากหลายเพื่อรับมือกับประเภทอินพุตที่แตกต่างกัน แต่นี่เป็นสถานการณ์ที่ความสามารถในการเขียนโปรแกรมเต็มรูปแบบอาจไม่ใช่ตัวเลือกที่คุ้มค่าที่สุด ผู้จำหน่ายบางรายได้พัฒนาโดยคำนึงถึงแอปพลิเคชันเฉพาะที่มีความสามารถในการกำหนดค่าที่ จำกัด มากขึ้น

ตัวอย่าง FPAA

ตัวอย่างคือกลุ่มผลิตภัณฑ์ SWIO ของ Analog Devices ซึ่งใช้บนชิปบางครั้งก็ใช้พาสซีฟภายนอกเพื่อให้อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์และเครื่องมือต่างๆที่ส่งสัญญาณโดยใช้ลูปกระแส 4-20mA เพื่อป้อนข้อมูลไปยังโปรเซสเซอร์ดิจิทัล ตามที่อะนาล็อกแรงผลักดันสำหรับกลุ่มผลิตภัณฑ์ SWIO คือการเปลี่ยนไปใช้อีเทอร์เน็ตที่อุตสาหกรรมระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรมกำลังดำเนินไป

ในด้านหนึ่ง บริษัทต่างๆ ที่ต้องการสนับสนุนเครื่องมืออนาล็อกแบบเดิมกำลังพยายามลดจำนวนแพลตฟอร์มที่ต้องการสนับสนุน การมีการออกแบบบอร์ดเดี่ยวที่สามารถรองรับอินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ที่หลากหลายสามารถประหยัดเงินได้หลายล้านดอลลาร์ในการพัฒนาในสถานการณ์ที่ผู้จำหน่ายต้องรองรับชุด I/O ที่แตกต่างกันหลายสิบชุด ตัวขับเคลื่อนประการที่สองคือการเปลี่ยนผ่านอีเธอร์เน็ต โดยอนุญาตให้เจ้าของโรงงานเก็บอุปกรณ์ 4-20mA ไว้กับที่ แต่ให้พวกเขาพูดคุยกับระบบโดยใช้เครือข่ายดิจิทัล ตามหลักการแล้ว ผู้ผลิตอุปกรณ์สามารถจัดเตรียมอุปกรณ์ที่กำหนดค่าได้เพียงเครื่องเดียว โมดูล เพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลง

ตระกูล PIXI ของ Maxim Integrated ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อมอบวิธีการปรับเอนเอียงของเพาเวอร์แอมป์ในการออกแบบตัวรับส่งสัญญาณไร้สายเพื่อช่วยเอาชนะปัญหาสินค้าคงคลังที่ภาคส่วนมีกับคลื่นความถี่วิทยุที่ใช้กันทั่วโลก นอกเหนือจากเซ็นเซอร์อุณหภูมิเฉพาะชิ้นส่วนเช่น MAX11300 ยังใช้ออนชิพ ADCs และ DAC แบบมัลติเพล็กซ์ในหลายช่องสัญญาณเพื่อวัดและสร้างแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน

โต้ตอบ สารกึ่งตัวนำGreenPak ของ GreenPak นำเสนอการผสมผสานระหว่างการจัดลำดับดิจิทัลและความสามารถในการโปรแกรมอะนาล็อกแบบเรียลไทม์ พร้อมด้วยออปแอมป์และรีโอสแตตบนชิปรวมกับตารางการค้นหาดิจิทัล ชิ้นส่วนได้รับการออกแบบเพื่อให้สามารถเปิดใช้งานและปิดใช้งานมาโครเซลล์แบบอะนาล็อกได้ เพื่อให้อินเทอร์เฟซแบบอะนาล็อกใช้งานได้และดึงพลังงานเมื่อจำเป็นเท่านั้น PSoC ที่พัฒนาโดย Cypress Semiconductor ซึ่งปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของ Infineon Technologies ได้จับคู่มาโครเซลล์แบบอะนาล็อกที่ตั้งโปรแกรมได้เข้ากับไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อรองรับสถานการณ์การควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น

ศาสตราจารย์ เจนนิเฟอร์ ฮาสเลอร์ แห่งสถาบันจอร์เจีย เทคโนโลยี ให้เหตุผลว่าถึงแม้จะมีวิธีการวิเคราะห์เชิงตัวเลขบางวิธี แต่ก็มีฟังก์ชันที่วงจรอะนาล็อกสามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ามาก

การเปลี่ยนการออกแบบระบบ

ข้อโต้แย้งหนึ่งสำหรับอะนาล็อกที่ตั้งโปรแกรมได้ในที่สุดก็เริ่มแตกออกไม่ใช่ความปรารถนาที่จะตัดสินค้าคงคลังสำหรับการออกแบบเช่นเซ็นเซอร์อุตสาหกรรม แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงการออกแบบระบบซึ่งนำโดยเทคโนโลยีการเรียนรู้ของเครื่องที่ทันสมัยในปัจจุบัน อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องส่วนใหญ่ใช้พีชคณิตเชิงเส้นบางประเภทสำหรับการวิเคราะห์เชิงตัวเลขไม่ว่าจะเป็นการไล่ระดับสีในเครือข่ายเซลล์ประสาทหรือการเพิ่มประสิทธิภาพแบบวนซ้ำประเภทอื่น ๆ

ศาสตราจารย์เจนนิเฟอร์แฮสเลอร์จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งจอร์เจียระบุว่าแม้ว่าวิธีการวิเคราะห์เชิงตัวเลขบางวิธีเช่นการแยกตัวประกอบเมทริกซ์จะง่ายกว่าในฮาร์ดแวร์ดิจิทัล แต่ก็มีฟังก์ชั่นที่วงจรอะนาล็อกสามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า รวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพและการสร้างความแตกต่าง คอมพิวเตอร์อะนาล็อกในยุคแรกถูกเรียกร้องให้ทำงานเหล่านั้นเพื่อจัดการลูปควบคุมในกรณีที่ไม่มีคอมพิวเตอร์ดิจิทัลที่รวดเร็ว

แม้ว่าตรรกะดิจิทัลยังคงมีข้อได้เปรียบในแง่ของความเร็วและความหนาแน่นสำหรับงานส่วนใหญ่ แต่การประมวลผลแบบอะนาล็อกมีศักยภาพที่จะก้าวไปข้างหน้าในแง่ของประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างน้อยก็สำหรับงานที่เหมาะสม ในการทดลองหนึ่งโดยกลุ่มของ Hasler FPAA สามารถจดจำคำสั่งเป็นคำพูดโดยใช้เวลาเพียง 1µJ ต่อการอนุมานหรือน้อยกว่าการใช้งานดิจิทัลที่คล้ายกันประมาณหนึ่งพันเท่า FPAA ใช้ธนาคารของตัวกรองแบนด์พาสที่ใช้สำหรับการแยกคุณลักษณะป้อนเข้าสู่อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องที่เรียบง่ายโดยใช้ตัวคูณเมทริกซ์แบบอะนาล็อกและลักษณนามที่ได้ผู้ชนะทั้งหมดซึ่งแปลงอินพุตสเปกตรัมเป็นสัญลักษณ์ที่เลือกไว้ไม่กี่ตัว

ตอนนี้ในรุ่นที่สามการทำงานของ Georgia Tech RASP เริ่มต้นจากบล็อกของวงจรย่อยที่สามารถรวมกันในรูปแบบต่างๆโดยใช้ความจุในลักษณะที่แตกต่างไปจากการใช้งานตัวเก็บประจุแบบสวิตช์ ที่นี่ความจุที่ถูกใช้ประโยชน์อยู่ในประตูลอยของทรานซิสเตอร์ที่พัฒนาขึ้นสำหรับหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือน สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องใหม่สำหรับ FPGA อุปกรณ์ของ Microsemi ใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีนี้สำหรับ FPGA อื่น ๆ ส่วนใหญ่ใช้เซลล์ SRAM เพื่อตั้งโปรแกรมการเชื่อมต่อระหว่างองค์ประกอบที่กำหนดค่าได้รวมถึงรายการในตารางการค้นหาหลัก แต่สามารถเก็บค่าดิจิทัลได้อย่างน่าเชื่อถือเท่านั้น ในทางกลับกันสวิตช์ประตูลอยสามารถเก็บค่าอะนาล็อกได้แม้ว่าจะมีความละเอียดและความแม่นยำที่ จำกัด

รูปแบบล่าสุดของงาน Georgia Tech ใช้พารามิเตอร์ที่ตั้งโปรแกรมได้ 600,000 พารามิเตอร์โดยใช้กระบวนการ CMOS 350 นาโนเมตรที่ค่อนข้างเก่า ประตูลอยสามารถทำหน้าที่สองครั้งโดยที่ประตูหลายบานถูกใช้ในผ้าการกำหนดเส้นทาง แต่สามารถตั้งโปรแกรมให้เปิดได้บางส่วนและปรับระดับสัญญาณที่ไปถึงบล็อกปลายทางได้ คล้ายกับวิธีการที่ใช้ในอุปกรณ์ AI แบบอะนาล็อกเช่นที่สร้างโดย Mythic ลักษณะอะนาล็อกของเมทริกซ์การเชื่อมต่อระหว่างกันทำให้สามารถทำงานต่างๆเช่นการคูณเมทริกซ์ได้ง่ายๆโดยการผสมสัญญาณอินพุตที่จุดตัด

Aspinity เริ่มต้นใช้แนวทางที่ชัดเจนยิ่งขึ้นในการประยุกต์ใช้วงจรอนาล็อกกับการเรียนรู้ของเครื่อง อุปกรณ์ RAMP ใช้วงจรอะนาล็อกที่ทำงานในระบอบการปกครองย่อยเพื่อประหยัดพลังงานโดยมีจุดประสงค์เพื่อใช้ฟังก์ชัน neuromorphic ในขณะที่สถาปัตยกรรม Mythic มุ่งเน้นไปที่การคำนวณทางคณิตศาสตร์ของเมทริกซ์แบบอะนาล็อกอย่างเต็มที่แกน Aspinity AnalogML มีฟังก์ชันอินเทอร์เฟซเพื่อเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์และอุปกรณ์อินพุตอื่น ๆ และบล็อกที่สามารถกำหนดค่าให้ทำการแยกคุณลักษณะก่อนที่จะส่งผลลัพธ์ไปยังคอร์ที่อนุมานได้

ประมาณสามทศวรรษนับจากการเสนอ FPAA แรกความสามารถในการเขียนโปรแกรมกำลังเข้าสู่ระบบอนาล็อกอย่างต่อเนื่อง การผสมผสานระหว่างการปรับปรุงอุตสาหกรรมและการนำแมชชีนเลิร์นนิงมาใช้ในอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำอาจผลักดันให้เป็นกระแสหลักเนื่องจากความยืดหยุ่นแบบไดนามิกกลายเป็นข้อกำหนดมากขึ้น