Analog programlanabilirlik

Alanda programlanabilir kapı dizisinin başarısına baktığınızda (FPGA) esnekliğin hacim fiyatından daha önemli olduğu geniş bir tasarım yelpazesinin yakalanmasında, analog için de aynısını yapmanın çekiciliği çok anlamlıdır.

Ancak FPGA'nın analog kuzeni daha büyük bir mücadeleyle karşı karşıya kaldı.

Kavramsal olarak, sahada programlanabilir analog dizi (FPAA), mantık odaklı büyük kardeşinden yalnızca biraz daha gençtir: Araştırmacıların ilk önerileri 1980'lerin sonlarında, biri Caltech'te, diğeri ise Caltech'te olmak üzere iki bağımsız grubun çalışmaları ile ortaya çıktı. Güney Kaliforniya Üniversitesi. O zamandan bu yana konsept ticari olarak denendi ancak karışık sonuçlar elde edildi. En ünlü savunucusu, 1990'ların ortasında cam üreticisi Pilkington'dan çıkan ve daha sonra Motorola tarafından satın alınan ve yine Motorola'ya yakın bir şirket olarak ortaya çıkan Anadigm'dir. Yarıiletken şirketin Arizona fabrikaları.

Anadigm, parçaları olarak anahtarlamalı bir model seçti.kondansatör Bu, ağırlıklı olarak dijital bir sürece maliyet etkin bir şekilde analog işlevler eklemek için ASIC'lerin tasarımında zaten kullanılan bir teknikti. Kapasitör tabanlı devrelerin hızlı bir şekilde açılıp kapatılması, rezistans fiziksel CMOS dirençlerinden daha doğru olan ve sinyal bant genişliği anahtarlama oranının altında olduğu sürece kullanılabilen ağlar. Biraz daha genç bir start-up olan Okika Technologies, kontrol için dijital arama tablolarının yanında sağlanan çip üstü amplifikatör modülleri ve I/O hücrelerinin parametrelerini ayarlamak için benzer şekilde anahtarlamalı kapasitör yaklaşımını seçti.

FPAA satan şirketler için önemli bir sorun, ayrık analog devrelerin, oldukça spesifik işlevlere sahip olsa bile, bol ve genellikle ucuz olduğu bir ortamda, küçük boyut ve esneklik ihtiyacı ile maliyet ve performans arasındaki gerilimdir.

Distribütör Farnell'in yarı iletkenler ürün yönetimi başkanı Andrea Riverso, hızlı prototip oluşturma ihtiyacı duyan veya araştırma uygulamaları üzerinde çalışan kullanıcıların programlanabilir analog parçalardan daha fazla yararlanabileceğini söylüyor. Bir gereksinim belirli hale geldiğinde, kablolu bir uygulama geliştirmek daha uygun maliyetli olabilir ve yine de muhtemelen bazı öğeleri sistemin içine ve dışına değiştirerek bir miktar programlanabilirlik ekleyebilmek mümkündür. devre.

Temel soru, saha içi esnekliğin ne kadar gerekli olduğudur. Farklı sensör girişlerinin karşılanması ve sinyallerinin nasıl koşullandırılacağının ayarlanması gerekiyorsa FPAA anlamlı olabilir. Örneğin, arayüzün farklı giriş türleriyle başa çıkabilmek için çeşitli filtreler uygulaması gerekebilir. Ancak bu, tam programlanabilirliğin en uygun maliyetli seçenek olmayabileceği bir durumdur. Bazı satıcılar, daha sınırlı yapılandırılabilirliğe sahip belirli uygulamaları göz önünde bulundurarak geliştirmişlerdir.

FPAA örnekleri

Bunun bir örneği Analog Devices'ın SWIO ürün serisidir; bu ürün, bazen harici pasiflerin yardımıyla, çeşitli sensör arayüzlerinin ve 4-20 mA akım döngülerini kullanarak sinyal veren araçların dijital işlemcisine veri beslemesine izin vermek için çip üzerinde kullanılır. Analog'a göre SWIO ürün serisinin itici gücü, endüstriyel otomasyon endüstrisinin içinden geçmekte olduğu Ethernet'e geçiştir.

Bir tarafta eski analog enstrümantasyonu desteklemesi gereken şirketler, desteklemeleri gereken platform sayısını azaltmaya çalışıyor. Çok çeşitli sensör arayüzlerini karşılayabilecek tek kart tasarımına sahip olmak, satıcıların onlarca farklı I/O kombinasyonunu desteklemek zorunda olduğu durumlarda geliştirmede milyonlarca dolar tasarruf sağlayabilir. İkinci etken, fabrika sahiplerinin 4-20 mA cihazlarını yerinde tutmalarına ancak dijital ağı kullanan sistemlerle konuşmalarına olanak tanıyan Ethernet geçişinin kendisidir. Ekipman üreticileri prensip olarak tek bir yapılandırılabilir modül değişimi desteklemek için.

Maxim Integrated'in PIXI ailesi, dünya çapında kullanımda olan çok çeşitli radyo bantları nedeniyle sektörün yaşadığı envanter sorununun üstesinden gelmeye yardımcı olmak amacıyla, kablosuz alıcı-verici tasarımlarında güç amplifikatörlerini saptırmanın bir yolunu sağlamak için orijinal olarak geliştirildi. Özel sıcaklık sensörlerine ek olarak, MAX11300 gibi parçalar, farklı voltajları ölçmek ve üretmek için çip üzerinde ADC'ler ve bir dizi kanala çoğullanmış DAC'ler kullanır.

diyalog YarıiletkenGreenPak, dijital arama tablolarıyla birleştirilmiş çip üzerinde op-amp'ler ve reostatların sağlanmasıyla dijital sıralama ve gerçek zamanlı analog programlanabilirliğin bir kombinasyonunu sunar. Parçalar, analog arayüzlerin yalnızca aktif olması ve ihtiyaç duyulduğunda güç çekmesi için analog makro hücreleri etkinleştirip devre dışı bırakabilecek şekilde tasarlanmıştır. Artık Infineon Technologies'in bir parçası olan Cypress Semiconductor tarafından geliştirilen PSoC, daha karmaşık kontrol senaryolarını desteklemek için programlanabilir analog makro hücrelerini bir mikro denetleyiciyle birleştiriyor.

Georgia Enstitüsü'nden Profesör Jennifer Hasler Teknoloji bazı sayısal analiz yöntemlerine rağmen analog devrelerin potansiyel olarak çok daha verimli bir şekilde yapabileceği işlevlerin bulunduğunu savunuyor

Sistem tasarımını değiştirme

Programlanabilir analogun nihayet ortaya çıkmaya başladığı yönündeki argümanlardan biri, endüstriyel sensörler gibi tasarımlar için envanteri azaltma isteğinden ziyade, şu anda moda olan makine öğrenimi teknolojisinin önderlik ettiği sistem tasarımında bir değişikliktir. Çoğu makine öğrenimi algoritması, ister nöron ağlarındaki gradyan iniş ister başka tür yinelemeli optimizasyon olsun, sayısal analiz için bir tür doğrusal cebir kullanır.

Georgia Teknoloji Enstitüsü'nden Profesör Jennifer Hasler, matris çarpanlarına ayırma gibi bazı sayısal analiz yöntemlerinin dijital donanımda çok daha kolay olmasına rağmen, analog devrelerin potansiyel olarak çok daha verimli bir şekilde yapabileceği işlevler bulunduğunu savunuyor. Optimizasyon ve farklılaştırmayı içerirler. Hızlı dijital bilgisayarların yokluğunda kontrol döngülerini idare etmek için bu işleri yapmak üzere ilk analog bilgisayarlara çağrıldı.

Her ne kadar dijital mantık çoğu iş için hız ve yoğunluk açısından hâlâ avantajlı olsa da, analog hesaplama en azından doğru işler için enerji verimliliği açısından ileriye sıçrama potansiyeline sahip. Hasler'in grubu tarafından yapılan bir deneyde, bir FPAA, çıkarım başına yalnızca 1 µJ harcayarak, yani benzer dijital uygulamalardan yaklaşık bin kat daha az harcayarak, konuşmadaki komut sözcüklerini tanıyabildi. FPAA, özellik çıkarımı için kullanılan, analog matris çarpanına ve spektral girdileri seçilen birkaç sembole dönüştüren kazanan her şeyi alır sınıflandırıcısına dayanan basit bir makine öğrenme algoritmasını besleyen bir grup bant geçiren filtre uyguladı.

Şimdi üçüncü neslinde olan Georgia Tech RASP çalışması, anahtarlamalı kapasitör uygulamalarından farklı bir şekilde kapasitans kullanılarak farklı şekillerde birleştirilebilen alt devre blokları olarak başladı. Burada kullanılan kapasitans, kalıcı bellek için geliştirilen transistörlerin kayan kapılarındadır. Bunlar FPGA'ler için yeni değil. Microsemi'nin cihazları bazıları için bu teknolojiden yararlandı, ancak diğer FPGA'lerin çoğu, yapılandırılabilir öğeler arasındaki bağlantıları ve ayrıca çekirdek arama tablolarındaki girişleri programlamak için SRAM hücrelerini kullanıyor ancak yalnızca dijital değerleri güvenilir bir şekilde tutabiliyor. Öte yandan kayan kapılı anahtarlar, sınırlı çözünürlük ve doğrulukla da olsa analog değerleri tutma kapasitesine sahiptir.

Georgia Tech çalışmasının en yeni şekli, nispeten eski bir 600,000nm CMOS sürecini kullanarak 350 programlanabilir parametreyi uyguluyor. Yüzen geçitler, birçoğunun yönlendirme yapısında kullanılması, ancak kısmen açık olacak şekilde programlanabilmesi ve dolayısıyla hedef bloklara ulaşan sinyal seviyelerini ayarlaması nedeniyle çifte görev gerçekleştirebilir. Mythic tarafından üretilenler gibi analog yapay zeka cihazlarında kullanılan yaklaşıma benzer şekilde, ara bağlantı matrisinin analog yapısı, giriş sinyallerini çapraz noktalarda karıştırarak matris çarpımı gibi görevleri gerçekleştirmesine olanak tanır.

Start-up Aspinity, analog devrelerin makine öğrenimine uygulanması konusunda daha açık bir yaklaşım benimsedi. RAMP cihazı, nöromorfik fonksiyonların uygulanması amacıyla güç tasarrufu sağlamak için eşik altı rejimde çalışan analog devreyi kullanır. Mythic mimari doğrudan analog matris aritmetiğine odaklanırken Aspinity AnalogML çekirdekleri, sensörlere ve diğer giriş cihazlarına bağlanmak için arayüz işlevlerini ve sonuçları bir çıkarım çekirdeğine aktarmadan önce özellik çıkarımı gerçekleştirmek üzere yapılandırılabilen blokları içerir.

İlk FPAA'ların önerilmesinden yaklaşık otuz yıl sonra, programlanabilirlik istikrarlı bir şekilde analoga doğru yol alıyor. Endüstriyel yenileme ve düşük güçlü cihazlarda makine öğreniminin benimsenmesinin bir kombinasyonu, dinamik esnekliğin daha fazla bir gereklilik haline gelmesi nedeniyle onu ana akım haline getirebilir.