Khả năng lập trình tương tự

Khi bạn nhìn vào sự thành công của mảng cổng có thể lập trình trường (FPGA) trong việc nắm bắt một loạt các thiết kế trong đó tính linh hoạt hơn giá cả khối lượng, sức hút để làm điều tương tự đối với thiết bị tương tự có rất nhiều ý nghĩa.

Nhưng người anh em họ tương tự của FPGA đã phải đối mặt với nhiều khó khăn hơn.

Về mặt khái niệm, mảng tương tự có thể lập trình trường (FPAA) chỉ trẻ hơn một chút so với người anh lớn theo định hướng logic của nó: các đề xuất đầu tiên từ các nhà nghiên cứu xuất hiện vào cuối những năm 1980, với công việc tại hai nhóm độc lập, một tại Caltech và một tại Đại học Nam California. Kể từ đó, khái niệm này đã được thử nghiệm trên phương diện thương mại với nhiều kết quả khác nhau. Người đề xuất nổi tiếng nhất là Anadigm, bắt đầu như một sản phẩm phụ từ nhà sản xuất thủy tinh Pilkington vào giữa những năm 1990 trước khi được Motorola mua lại và một lần nữa được tách ra thành một công ty có trụ sở gần Semiconductor công ty Arizona fabs.

Đối với các bộ phận của nó, Anadigm đã chọn một công tắc-tụ triển khai, vốn đã là một kỹ thuật được sử dụng trong thiết kế ASIC để bổ sung các chức năng tương tự một cách hiệu quả về mặt chi phí cho quy trình chủ yếu là kỹ thuật số. Việc bật và tắt các mạch dựa trên tụ điện một cách nhanh chóng mang lại khả năng xây dựng Điện trở mạng chính xác hơn điện trở CMOS vật lý và có thể sử dụng được miễn là băng thông tín hiệu thấp hơn tốc độ chuyển mạch. Công ty mới thành lập Okika Technologies tương tự đã chọn cách tiếp cận tụ điện chuyển mạch để điều chỉnh các thông số của mô-đun bộ khuếch đại trên chip và các ô I / O được cung cấp cùng với các bảng tra cứu kỹ thuật số để điều khiển.

Một vấn đề quan trọng đối với các công ty bán FPAA là sự căng thẳng giữa nhu cầu về kích thước nhỏ và tính linh hoạt so với chi phí và hiệu suất trong một môi trường mà mạch tương tự rời rạc, ngay cả với các chức năng cụ thể, rất phong phú và thường không đắt.

Andrea Riverso, trưởng bộ phận quản lý sản phẩm chất bán dẫn của nhà phân phối Farnell, cho biết những người dùng có nhu cầu tạo mẫu nhanh hoặc làm việc trên các ứng dụng nghiên cứu có khả năng được hưởng lợi nhiều hơn từ các bộ phận tương tự có thể lập trình được. Khi một yêu cầu trở nên cụ thể, có thể tiết kiệm chi phí hơn khi phát triển triển khai được hardwired và vẫn có thể thêm một số cấp độ khả năng lập trình, có thể bằng cách chuyển đổi một số yếu tố trong và ngoài mạch.

Một câu hỏi quan trọng là cần có bao nhiêu tính linh hoạt trong lĩnh vực này. FPAA có thể có ý nghĩa nếu cần cung cấp cho các đầu vào cảm biến khác nhau và điều chỉnh cách tín hiệu của chúng được điều hòa. Ví dụ: giao diện có thể cần triển khai nhiều bộ lọc để đối phó với các loại đầu vào khác nhau. Nhưng đây là tình huống mà khả năng lập trình đầy đủ có thể không phải là lựa chọn hiệu quả nhất về chi phí. Một số nhà cung cấp đã phát triển với các ứng dụng cụ thể có khả năng cấu hình hạn chế hơn.

Ví dụ về FPAA

Một ví dụ là dòng sản phẩm SWIO của Thiết bị tương tự, sử dụng chip on-chip, đôi khi với sự trợ giúp của các thiết bị truyền bên ngoài, để cho phép nhiều giao diện cảm biến và công cụ phát tín hiệu bằng cách sử dụng các vòng dòng 4-20mA để cấp dữ liệu cho bộ xử lý kỹ thuật số của nó. Theo Analog, động lực cho dòng sản phẩm SWIO của họ là sự chuyển đổi sang Ethernet mà ngành công nghiệp tự động hóa công nghiệp đang trải qua.

Một mặt, các công ty cần hỗ trợ thiết bị đo tương tự cũ đang cố gắng giảm số lượng nền tảng mà họ cần hỗ trợ. Việc có một thiết kế bo mạch duy nhất có khả năng đáp ứng nhiều loại giao diện cảm biến có thể tiết kiệm hàng triệu đô la trong quá trình phát triển trong trường hợp các nhà cung cấp phải hỗ trợ hàng chục kết hợp I/O khác nhau. Trình điều khiển thứ hai là bản thân quá trình chuyển đổi Ethernet, bằng cách cho phép chủ sở hữu nhà máy giữ lại các thiết bị 4-20mA nhưng yêu cầu chúng giao tiếp với các hệ thống sử dụng mạng kỹ thuật số. Về nguyên tắc, các nhà sản xuất thiết bị có thể cung cấp một thiết bị có thể cấu hình được mô-đun để hỗ trợ việc chuyển đổi.

Dòng PIXI của Maxim Integrated được phát triển ban đầu để cung cấp một cách để phân biệt bộ khuếch đại công suất trong các thiết kế bộ thu phát không dây để giúp khắc phục vấn đề tồn kho mà lĩnh vực này gặp phải với nhiều dải tần vô tuyến đang được sử dụng trên khắp thế giới. Ngoài các cảm biến nhiệt độ chuyên dụng, các bộ phận như MAX11300 sử dụng các bộ ADC và DAC tích hợp trên một số kênh để đo và tạo ra các điện áp khác nhau.

Hộp thoại SemiconductorGreenPak của cung cấp sự kết hợp giữa trình tự kỹ thuật số và khả năng lập trình tương tự thời gian thực với việc cung cấp các bộ khuếch đại thuật toán và bộ biến trở trên chip kết hợp với các bảng tra cứu kỹ thuật số. Các bộ phận được thiết kế để có thể bật và tắt các macrocell tương tự để các giao diện tương tự chỉ hoạt động và tiêu thụ điện năng khi cần thiết. PSoC được phát triển bởi Cypress Semiconductor, hiện là một phần của Infineon Technologies, kết hợp các tế bào macrocell tương tự có thể lập trình của nó với một bộ vi điều khiển để hỗ trợ các kịch bản điều khiển phức tạp hơn.

Giáo sư Jennifer Hasler của Viện Georgia Công nghệ lập luận rằng mặc dù có một số phương pháp phân tích số, vẫn có những chức năng mà mạch tương tự có thể thực hiện hiệu quả hơn nhiều

Thay đổi thiết kế hệ thống

Một lập luận cho việc tương tự có thể lập trình cuối cùng cũng bắt đầu nổ ra không phải là mong muốn cắt giảm lượng hàng tồn kho cho các thiết kế như cảm biến công nghiệp mà là sự thay đổi trong thiết kế hệ thống, dẫn đầu bởi công nghệ máy học đang thời thượng. Hầu hết các thuật toán học máy sử dụng một số loại đại số tuyến tính để phân tích số, cho dù đó là để giảm độ dốc trong mạng nơ-ron hay một số loại tối ưu hóa lặp đi lặp lại khác.

Giáo sư Jennifer Hasler thuộc Viện Công nghệ Georgia lập luận rằng mặc dù một số phương pháp phân tích số, chẳng hạn như phân tích nhân tử ma trận dễ dàng hơn nhiều trên phần cứng kỹ thuật số, nhưng có những chức năng mà mạch tương tự có thể thực hiện hiệu quả hơn nhiều. Chúng bao gồm tối ưu hóa và khác biệt hóa. Các máy tính tương tự ban đầu được kêu gọi thực hiện những công việc đó để xử lý các vòng điều khiển trong trường hợp không có máy tính kỹ thuật số nhanh.

Mặc dù logic kỹ thuật số vẫn có lợi thế hơn về tốc độ và mật độ đối với hầu hết các công việc, nhưng tính toán tương tự có tiềm năng phát triển vượt bậc về hiệu quả năng lượng, ít nhất là đối với những công việc phù hợp. Trong một thử nghiệm của nhóm Hasler, một FPAA có thể nhận dạng các từ lệnh trong giọng nói, chỉ mất 1µJ cho mỗi suy luận, hoặc ít hơn khoảng một nghìn lần so với các triển khai kỹ thuật số tương tự. FPAA đã triển khai một ngân hàng các bộ lọc thông dải được sử dụng để trích xuất tính năng, đưa vào một thuật toán học máy đơn giản dựa trên hệ số nhân ma trận tương tự và bộ phân loại thắng-lấy-tất cả để chuyển đổi đầu vào phổ thành một số ký hiệu được chọn.

Bây giờ ở thế hệ thứ ba, công việc Georgia Tech RASP bắt đầu như các khối mạch con có thể được kết hợp theo nhiều cách khác nhau bằng cách sử dụng điện dung theo một cách khác với việc triển khai tụ điện chuyển mạch. Ở đây điện dung đang được khai thác nằm trong các cổng nổi của các bóng bán dẫn được phát triển cho bộ nhớ không bay hơi. Đây không phải là điều mới mẻ đối với FPGA. Các thiết bị của Microsemi đã khai thác công nghệ này cho một số mặc dù hầu hết các FPGA khác đều sử dụng các ô SRAM để lập trình kết nối giữa các phần tử có thể định cấu hình cũng như các mục trong bảng tra cứu cốt lõi của chúng nhưng chỉ có thể lưu giữ các giá trị kỹ thuật số một cách đáng tin cậy. Mặt khác, công tắc cổng nổi có khả năng giữ các giá trị tương tự, mặc dù có độ phân giải và độ chính xác hạn chế.

Hình thức gần đây nhất của công việc Georgia Tech thực hiện 600,000 tham số có thể lập trình bằng quy trình CMOS 350nm tương đối cũ. Các cổng nổi có thể thực hiện nhiệm vụ kép trong đó nhiều cổng trong số chúng được sử dụng trong kết cấu định tuyến nhưng có thể được lập trình để bật một phần và do đó điều chỉnh mức tín hiệu đến các khối đích. Tương tự như cách tiếp cận được sử dụng trong các thiết bị AI tương tự như thiết bị do Mythic sản xuất, bản chất tương tự của ma trận kết nối cho phép nó thực hiện các tác vụ như nhân ma trận đơn giản bằng cách trộn các tín hiệu đầu vào tại các điểm giao nhau.

Start-up Aspinity đã thực hiện một cách tiếp cận rõ ràng hơn để áp dụng mạch tương tự vào học máy. Thiết bị RAMP của nó sử dụng mạch tương tự hoạt động ở chế độ ngưỡng phụ để tiết kiệm điện với mục đích thực hiện các chức năng thần kinh đa hình. Trong khi kiến ​​trúc Mythic tập trung hoàn toàn vào số học ma trận tương tự, các lõi Aspinity AnalogML bao gồm các chức năng giao diện để kết nối với cảm biến và các thiết bị đầu vào khác và các khối có thể được định cấu hình để thực hiện trích xuất tính năng trước khi chuyển kết quả đến lõi truyền thông.

Khoảng ba thập kỷ kể từ khi FPAA đầu tiên được đề xuất, khả năng lập trình đang dần trở thành tín hiệu tương tự. Sự kết hợp giữa đổi mới công nghiệp và việc áp dụng học máy trong các thiết bị công suất thấp có thể đẩy nó trở thành xu hướng chủ đạo khi tính linh hoạt năng động ngày càng trở thành một yêu cầu.