مصفوفة بوابات قابلة للبرمجة بعد التصنيع بالإنگليزية: (Field Programmable Gate Array (FPGA هي دائرة متكاملة صممت لكي يتم تعديل أوتصميم أنظمة متكاملة حتى بعد عملية التصنيع دون الحاجة لإعادة تجميع النظام أوالمنتج, لذلك أخذت التسمية القابلة للبرمجة في الميدان أو Field-Programmable. بشكل عام يتم التصميم في الـ FPGA باستخدام ما يسمى بلغة وصف العتاد Hardware Description Language وهي مماثلة جداً لتلك التي يتم استخدامها في تصميم الدوائر المتكاملة ذات التطبيق المحدد (Application-Specific Integrated Circuit) أوASIC وهي دوائر متكاملة صممت لغرض معين ولا يمكن استخدامها إلا للتطبيق الذي صممت من أجله مثل دوائر ترميز الصوت والصورة, أودوائر التحويل التناظري-الرقمي (ADC).

تحتوي شرائح الـ FPGA على مجموعة من الواحدات المنطقية المبرمجة (Configurable Logic Blocks) بالإضافة إلى تسلسل هرمي من التوصيلات فيما بينها بحيث يتم توصيل هذه الوحدات بحسب ما يحتاج التصميم. هذه الوحدات المنطقية يمكن ربطتها وبرمجتها لإنشاء بوابات منطقية أساسية مثل الـ AND وXOR إلى تطبيق مهام معقدة في المنطق المدمج (Combinational Logic), أويمكن استعمال عناصر الذاكرة المتواجدة في معظم أنواع الـ FPGA من عناصر Flip-Flop أساسية إلى وحدات ذاكرة متكاملة لتكوين أنظمة معقدة في المنطق التتابعي (Sequential Logic).

التصميم التقني

شرائح الـ FPGA الحديثة تحتوي على عدد كبير من البوابات المنطقية ووحدات الذاكرة من نوع (RAM) لتصميم وتطبيق حسابات وأنظمة رقمية معقدة. لأن معظم تصاميم الـ FPGA توظف منافذ إدخال وإخراج سريعة بالإضافة إلى نواقل بيانات ثنائية الاتجاه سريعة فإن التحقق من توقيت البيانات خلال وقت الإعداد Setup Time ووقت الاحتفاظ Hold Time يصبح نوعاً من التحدي في عملية التصميم. عملية تخطيط أرضية الدائرة المتكاملة Floor Planning تتيح تخصيص الموارد المتاحة في شريحة الـ FPGA بحيث يتم تحقيق القيود الزمنية الخاصة بالتصميم. يمكن استعمال الـ FPGA لتصميم أي نظام يمكن تصميمه باستخدام الـ ASIC, ولكن القدرة على تحديث وظيفة النظام أي إعادة هجريب ولوبشكل جزئي لها تعطي ميزات في عدة تطبيقات.

تاريخ

نشأت صناعة الـ FPGA من نوعين من الوحدات المبرمجة, ذاكرة القراءة فقط المبرمجة Programmable Read-Only Memory (PROM) والأداة المنطقية المبرمجة Programmable Logic Device (PLD). كلتا الوحدتين كانت تتم برمجتهما على دفعات خلال التصنيع أوفي الميدان (Field-Programmable).

في أواخر الثمانينات, قام مركز Naval Surface Warfare Center بتمويل تجربة اقترحها Steve Casselman لتطوير حاسوب يحتوي على 600,000 بوابة منطقية مبرمجة. نجح Casselman في التجربة وتم اصدار براءة احتراع خاصة بالتجربة في عام 1992.

بعض مبادئ التصنيع والتكنولوجيا الخاصة بالبوابات المنطقية المبرمجة (Programmable Logic Arrays) والبوابات والوحدات المنطقية (Logic Blocks) تم إنشاءها من خلال براءات اختراع منحت لـ David W. Page وLuVerne R. Peterson في عام 1985.

تم إنشاء شركة Altera في عام 1983 حيث قامت بتصنيع أول PLD في عام 1984 - EP300 - حيث احتوت على نافذة من الكوارتز يتم تسليط ضوء فوق بنفسجي من خلالها على الدائرة الداخلية لمسح خلايا ذاكرة EPROM التي تحتوي على معلومات تصميم الـ PLD.

مؤسسوشركة Xilinx وهما Ross Freeman وBernard Vonderschmitt قاما باختراع أول شريحة FPGA متاحة تجارياً وهي XC2064 حيث كانت بداية تطور تكنولوجيا وسوق صناعة الـ FPGA كما نعهدها الآن. احتوت شريحة XC2064 على 64 CLB بالإضافة إلى وحدات LUT ذات ثلاثة مداخل. بعد أكثر من 20 سنة تم وضع اسم Freeman في قائمة National Inventors Hall of Fame لأجل اختراعه.

استمرت شركتا Altera وXilinx بالنمومن 1985 إلى منتصف التسعينات 1990, حيث ظهرتا بشكل سريع في الصناعة مع احتواء نسبة عالية من حصة سوق صناعة الـ FPGA. في عام 1993 كانت شركة Actel (الآن تعهد بـ Microsemi) تملك 18% من سوق صناعة الـ FPGA. بحلول عام 2010 شركة Altera بنسبة 31% وشركة Actel بنسبة 10% وشركة Xilinx بنسبة 36% مجتمعات قد امتلكوا ما نسبته 77% من سوق الـ FPGA.

فترة التسعينات 1990 كانت فترة نشطة لأنظمة الـ FPGA حيث في بداية العقد كانت تطبيقات الـ FPGA بشكل أساسي في أنظمة الاتصالات والشبكات ومع نهاية العقد امتدت تطبيقات الـ FPGA إلى الإلكترونيات,السيارات ومختلف التطبيقات الصناعية.

تطورات القرن 21

البوابات المنطقية

• 1982: Burroughs Advances Systems Group وصلت إلى 8192 بوابة منطقية.
• 1987: Xilinx وصلت إلى 9000.
• 1992: مركز Naval Surface Warfare Department وصل إلى 600,000.
• بداية الـ 2000 معظم الأنواع تعدت حاجز المليون بوابة منطقية.

حجم السوق

• 1982: أول FPGA متاحة بشكل تجاري وهي XC2064.
• 1987: قدر حجم السوق بـ 14 مليون دولار.
• 1993: ما يزيد عن 385 مليون دولار.
• 2005: وصل إلى 1.9 مليار دولار.
• 2010: التقديرات تشير إلى 2.75 مليار دولار.
• 2013: يقدر بـ 5.4 مليار دولار.
• 2020: من المتسقط حتى يصل إلى 9.8 مليار دولار.

التطبيقات

بنية FPGA

يتألف من مجموعة من البلوكات المنطقية التي تترابط مع بعضها كما في CPLD ولكن هنا تكون مترابطة بشكل أعقد والفارق الهام بين CPLD وFPGA هوحتى FPGA قابلة للبرمجة أكثر من مرة، حيث في CPLD كان يتم برمجتها عن طريق صهر الفواصم بين هذه البلوكات وفق طريقة وترتيب معين، أما في FPGA فتم استبدال الفواصم بقواطع إلكترونية (SWITCHES) وهذه القواطع هي ترانزستورات تترابط مع بعضها ومع البلوكات المنطقية بشكل معقد جدا وبالتالي تشكل مع بعضها أيضا مصفوفة من السويتشات (SWITCHES) وبالتالي أصبحت تدعى البلوكات المنطقية القابلة للتهيئة : CLB Confugrable Logic Block

حيث هذه الترانزستورات تصمم بحيث:

• تقوم بتطبيقات متعددة.
• تقوم بربط البلوكات بين بعضها.
• تخصص للعمل بشكل منطقي (0,1).

- بارتباط الذواكر المنطقية وتنظيمها وجدولتها ينتج لدينا ذواكر مثل (SRAM-DRAM) ويتم التعامل معها بشكل نظامي من استجابة واسترجاع بيانات وتخزين وغيرها. يمكن ربط هذه الذواكر مع بعضها ومع أجزاء أخرى من FPGA كالمعالجات كما يمكن ربطها مع الوسط الخارجي.

برمجة FPGA

يستخدم نوعين من لغات البرمجة:

1. بواسطة لغة الـ في إتش دي إل.
2. بواسطة لغات منخفضة المستوى.

إن لغة VHDL لها بعض المشاكل حيث حتى برمجة FPGA بطيئة من أجل التصميمات الضخمة المعقدة. سنتوسع فيما بعد لشرح لغة في إتش دي إل.

• يمكن برمجة FPGA في أي وقت، فعند تحميل برنامج Software ظهر لدينا أخطاء يمكن إعادة تحميلها وعمل Re-Compile لها من جديد.
• عند "تحميل" (Download) برنامج الـ Software يفقد الـ FPGA وظيفته بانقطاع التيار، أما عند "برمجة" (Programming) الـ FPGA لا يفقد الـ FPGA وظيفته بانقطاع التيار.

انظر أيضاً

• FPGA prototype
• List of HDL simulators
• Verilog HDL
• VHDL (Very High Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language

الهامش

للاستزادة

• Sadrozinski, Hartmut F.-W.; Wu, Jinyuan (2010). Applications of Field-Programmable Gate Arrays in Scientific Research. Taylor & Francis. ISBN .
• Wirth, Niklaus (1995). Digital Circuit Design An Introduction Textbook. Springer. ISBN .

وصلات خارجية

• FPGA Center, tutorials and examples
• What is an FPGA? at YouTube

نطقب:Semiconductor packages