Genel anlamıyla FPGA’ler üç temel bileşenden oluşur: - Mantık öbekleri
- Ara bağlantı - G/Ç birimleri
2.6.1. Üretim teknolojileri
FPGA geliştirme kartları üreticiler tarafından farklı teknoloji ve farklı teknikler ile üretilmişlerdir. Bunlar SRAM, sigorta, EEPROM/Flash, Flash-SRAM karışım tabanlı olmak üzere 4 farklı mimari ön plana çıkmaktadır.
2.6.1.1. SRAM tabanlı mimari
FPGA’in üstünlüklerinden en önemlisi SRAM yapılandırma hücreleri kullanmasıdır. Bu hücreler aygıtın tekrar kullanılmasını sağlar. Bu sayede yeni tasarımlar çok kolay bir şekilde hazırlanıp test edilebilir. SRAM tabanlı FPGA’lerin diğer önemli bir avantajı ise önü açık bir teknoloji olmasıdır. Yongada kullanılan diğer birimlerle aynı CMOS teknolojisine sahip olduklarından geliştirilme süreçlerinde ek bir işlem gerektirmezler. Eskiden üretim aşamasında yeni teknoloji geliştirmek için çoğunlukla bellek birimleri kullanılırdı. Şimdilerde ise boyut, karmaşıklık ve düzenlilik ölçütleri ele alınarak bu alanda da FPGA kullanımı artmıştır. FPGA’in bellek birimlerine karşı diğer bir avantajı ise, bir hata oluşması durumunda FPGA yapısının hata bulma ve düzeltme işlemlerini kısaltmasıdır [46]. SRAM tabanlı FPGA’lerin her sistem açılışında tekrar yapılandırılmak zorunda olmaları bu mimarinin dezavantajı olark karşımıza çıkmaktadır.
2.6.1.2. Antifuse (sigorta) tabanlı mimari
SRAM temelli yaklaşımdan farklı olarak devre dışında özel programlayıcılar ile programlanır. Bu yaklaşımda veriler uçucu olmadığından sistem güçten kesildiği zamanda bile yapılandırma verilerini saklaması harici bellek gereksinimini ortadan kaldırır. Bir diğer önemli üstünlüğü ara bağlantı yapısının doğal olarak ışınım etkisine görece bağışıklı olmasıdır. Bu durum askeri ve uzay uygulamalarında özel ilgi sebebidir. Çünkü SRAM temelli bileşenler ışınıma maruz kalacak olursa hatalara yol açabilir. Antifuse bir kez programlandıktan sonra bu yolla değiştirilemez. Ancak aygıttaki herhangi bir flip-flop ışınıma hassasiyetini sürdürür. Bu yüzden yoğun ışınımlı ortamlar için flip-floplar “triple redundancy design” yöntemi ile
korunmalıdırlar. Bu yöntem her yazmacın üç kopyasının olması ve hata durumunda çoğunluktaki değerin hatalıyı düzeltmesi şeklindedir [45].
Bu mimarinin en önemli özelliği yapılandırma verisinin FPGA içerisine gömülmesidir. Her antifuse işlendiğinde, aygıt programlayıcı o öğenin tamamen programlandığının tespitine kadar sınamasını devam ettirir. Sonrasında sıradaki antifuse öğesine geçer. Üstelik aygıt programlayıcıları yapılandırmanın başarılı biçimde gerçeklendiğini özdevimli olarak doğrulayabilirler. Bu özellik milyonlarca programlanır öğe içeren yongalar için önemlidir [45].
Sonradan herhangi programlama verisinin aygıttan okunmasını engellemek için özel güvenlik antifuse öğesi ayarlamak mümkündür. Programlanmış ve programlanmamış antifuse öğeleri özdeş göründüğünden ve antifuse öğeleri iç metalleme katmanlarına gömülü olduklarından tersine mühendislik neredeyse olanaksızdır [45].
Antifuse öğesi SRAM temelli öğeye göre kendi başına daha az yer kaplıyor ve enerji harcıyor olmasına rağmen her öğe için fazladan programlama devresi gerektiğinden önemli sayılabilecek derecede bir fark oluşturmamaktadır. Yönlendirme gecikmesi daha küçük olması antifuse tekniğini SRAM’e göre daha hızlı yapar [45].
Antifuse tekniği ana üretim sürecine ek birkaç basamak daha gerektirdiğinden teknolojisi SRAM temelli yaklaşımın birkaç nesil gerisinde bulunmaktadır. Dezavantaj oluşturan bu durum bu teknolojinin güç tüketimi ve hız gibi üstünlüklerini gölgeler. Göze çarpan en temel kusuru bir kez programlanır (OTP) olması ve bu nedenle uygulama geliştirme pek tercih edilmemektedir [45].
2.6.1.3. E2PROM/FLASH temelli aygıtlar
Flash tabanlı FPGA hücreleri SRAM tabanlı FPGA mimarisine benzer bir şekilde uzun ötelemeli yazmaç şeklindeki zincirlerle bağlıdırlar. Aygıt içerisinde ve dışarısında programlamaya izin veren çeşitleri bulunmaktadır. Ancak SRAM tabanlı FPGA’lere göre 3 kata kadar daha yavaş yapılandırılabilmesi göze çarpan dezavantaj olarak karşımıza çıkmaktadır [46].
Bu mimarinin en temel özelliklerinden biri programlandıktan sonra içeriğin kalıcı olarak saklanabilmesidir. Koruma amaçlı olarak bazı Flash tabanlı FPGA’ler 50 bit ila birkaç yüz bit genişliğinde olabilen “multibit key” teknolojisini kullanmaktadırlar. Bu mimari programlanırken kullanıcı tanımlı bit dizisi veri güvenliği amacıyla veriyi okumak veya yeni yapılandırmayı yüklemek için anahtarın kopyası JTAG bağlantı noktası ile aktarılarak yapılmaktadır [45].
SRAM hücrelerine göre daha küçük olduklarından ara bağlantı gecikmeleri daha az olup standart CMOS teknolojisine ilaveten yaklaşık beş işlem basamağı gerektirdiğinden SRAM temelli aygıtların birkaç nesil gerisinde kalır. Bununla beraber içerdikleri çok sayıda pull-up dirençlerinden dolayı göreceli yüksek durağan güç tüketimi vardır [45].
2.6.1.4. Karma FLASH-SRAM aygıtlar
Her yapılandırma öğesi FLASH (veya E2PROM) hücre ve SRAM hücre birleşiminden oluşur ve kullanımı sınırlıdır. Bu durumda FLASH hücre önceden programlanabildiğinden sonrasında sisteme güç verildiğinde FLASH içeriği ilişkili SRAM hücresine kopyalanır. Bu teknik antifuse aygıtlardaki kalıcılığın eşdeğeri olarak karşımıza çıkmaktadır. Ancak antifuse temelli bileşenlerde tekrar yapılandırma mümkün değil iken bu mimaride SRAM hücreleri tekrar yapılandırma için sonradan kullanılabilir durumdadır [45].
Tablo 2.3 farklı mimarilere sahip FPGA teknolojilerinin karşılaştırılmasını vermektedir.
Tablo 2.3. Üretim tekniklerinin karşılaştırılması [46]
Özellik SRAM Antifuse EEPROM/FLASH
Teknoloji noktası En gelişkin Birkaç nesil geride Birkaç nesil geride Tekrar
Programlanırlık
Evet (sistem içerisinde)
Hayır Evet (sistemde ve
devre dışı) Tekrar programlama hızı Hızlı --- SRAM’den 3 kat yavaş Uçuculuk (başta
programlanmalı) Evet Hayır
Hayır (gerekirse yapılabilir) Harici program
verisi gereksinimi Evet Hayır Hayır
İlk örnek geliştirme
Evet
(çok iyi) Hayır
Evet (kabul edilebilir) Başlangıçta
çalışırlık Hayır Evet Evet
IP güvenliği Kabul edilebilir Çok iyi Çok iyi
Hücre genişliği (6 transistör) Geniş Çok küçük (2 transistör) Orta
Güç tüketimi Orta Düşük Orta
Işınım dayanırlığı Hayır Evet Hayır