Trung tâm đào tạo thiết kế vi mạch Semicon

Login

Username: Password:

Forgot your password? Forgot your username?
ĐĂNG KÝ TÀI KHOẢN ĐỂ TRUY CẬP NHIỀU TÀI LIỆU HƠN!

Create an account

Skip to content

Cấu trúc FPGA của Altera trong họ stratix II

Monday, 12 August 2019 21:19 Semicon Editor 01

Altera là một trong những công ty sản xuất FPGA hàng đầu thế giới và họ không ngừng cải tiến cấu trúc FPGA trong các sản phầm của mình. Với các kết cấu logic và cấu trúc định tuyến mới, FPGA của Altera cung cấp cho người sử dụng rất nhiều thuận lợi.

Altera là hãng đầu tiên giới thiệu “LUT khả phân” (Fracturable Look-Up Table – LUT có khả năng phân chia thành các cấu hình LUT nhỏ hơn) 8 ngõ vào trong họ Stratix II năm 2004. Lõi của nó là các mô-đun lô-gic thích nghi ALM (Adaptive Logic Module) 8 ngõ vào nhưng có thể thực thi như một LUT 6 ngõ vào đầy đủ hoặc lựa chọn các chức năng 7 ngõ vào.

ALM còn có thể được phân chia hiệu quả thành các LUT nhỏ hơn và độc lập với nhau như vậy sẽ cung cấp những lợi điểm về hiệu suất đối với các LUT lớn và những hiệu qur về diện tích khi dùng các LUT nhỏ hơn. Dòng Stratix còn trội hơn các FPGA khác nhờ định tuyến thông qua các kết nối MultiTrack ™, cung cấp khả năng kết nối tốt nhất trong công nghiệp.

Vào thời điểm năm 2006, Altera tự hào tuyên bố kiến trúc FPGA của họ đi trước ít nhất một thế hệ và kiến trúc định tuyến bên trong FPGA thì đi trước hai thế hệ so với các đối thủ. Sau đây là cấu trúc FPGA của Altera.

Chìa khóa của cấu trúc hiệu suất cao và hiệu quả về diện tích chính là kết cấu lô-gic của ALM. ALM bao gồm mạch tổ hợp, hai thanh ghi, hai bộ cộng như hình minh họa sau đây.

Sơ đồ khối "mô-đun Lô-gic thích nghi" ALM

Phần mạch tổ hợp có 8 ngõ vào và một LUT có khả năng chia thành hai “LUT thích nghi” (ALUT – Adaptive LUT) nhỏ sử dụng công nghệ LUT đã đăng ký sở hữu trí tuệ bởi Altera. Một ALM toàn vẹn được dùng để thực hiện một chức năng 6 ngõ vào bất kỳ nhưng vì nó có đến 8 ngõ vào đưa đến khối lô-gic tổ hợp nên một ALM có thể thực hiện các kết hợp khác nhau của hai chức năng. Sau đây là bảng mô tả thể hiện tính linh động của ALM:

Thực hiện chức năng 6 ngõ vào

Thực hiện 2 chức năng 4 ngõ vào độc lập (chia thành hai LUT 4 ngõ vào). Cấu hình này xem như chế độ tương thích ngược. Thiết kế này được tối ưu cho các FPGA có LUT 4 ngõ vào truyền thống có thể chuyển đổi dễ dàng sang họ Stratix II.

Thực thi hai LUT 5 ngõ vào và LUT 3 ngõ vào. Ngõ vào của hai LUT là độc lập. Với LUT 3 ngõ vào có thể sử dụng để thực hiện bất kỳ chức năng lô-gic nào có số ngõ vào là 3 hoặc ít hơn. Như vậy, ta có them tổ hợp LUT 5 và LUT 2.

Tổ hợp LUT 5 và LUT 4 với một ngõ vào dùng chung. Sự chia sẻ ngõ vào giữa các LUT là rất thường xuyên trong các thiết kế trên FPGA và phần mềm Quartus II sẽ tự động tìm kiếm các chức năng lô-gic được tổ chức theo kiểu này.

Cấu hình hai LUT 5 ngõ vào với hai ngõ vào dùng chung và 3 ngõ vào độc lập ở mỗi LUT.

Cấu hình 2 LUT 6 với 4 ngõ vào dùng chung và 2 ngõ vào độc lập ở mỗi LUT.

Ví dụ, để thực hiện hai bộ chọn có 4 ngõ vào dùng chung và hai tín hiệu chọn lựa riêng biệt cho mỗi bộ thì họ Stratix cần 4 LE (Logic Element), còn họ Stratix II sử dụng 1 ALM. Tương tự, nếu xây dựng hai cổng AND 6 ngõ vào với 4 ngõ vào dùng chung thì họ Stratix cần 3 LE, còn họ Stratix II chỉ cần 1 ALM.

Cấu hình LUT 7. Phần mềm Quartus II sẽ tự động nhận dạng các chức năng 7 ngõ vào để đưa nó vào một ALM.

Mô-đun Lô-gic thích nghi ALM

ALM của Altera khác hoàn toàn các khối lô-gic FPGA của bất cứ hãng nào vì đã đưa ra những đổi mới quan trọng. Khai thác từ các LUT 4 cổ điển với một thanh ghi đơn (cùng với lô-gic nhớ) để tạo ra ALM đỏi hỏi phải nắm bắt chi tiết các yêu cầu của khách hàng và sự đầu tư lớn trong nghiên cứu chuyển đổi các cấu trúc khác nhau.

Sự theo đuổi một cấu trúc LUT lớn hơn của Altera lấy cảm hứng từ các kết quả nghiên cứu, các kết quả này chỉ ra rằng một LUT 6 cơ bản có thể cải thiện hiệu suất đến 14% bằng cách giảm số phần tử lô-gic trên các “đường dẫn then chốt” (critical path) của mạch. Nhưng điều này phải trả giá khi diện tích tăng se tăng lên. Diện tích tăng thêm 17% khi mặt nạ LUT (LUT-mask) lớn hơn và số ngõ vào nhiều hơn. Hình sau đây sẽ minh họa mối liên quan giữa hao phí về diện tích và độ trễ ứng với các kích thước LUT khác nhau.

ALM được nghiên cứu thiết kế sao cho xây dựng được LUT lớn hơn để giảm số mức lô-gic và tăng hiệu năng sử dụng, nhưng cũng tránh làm tăng diện tích bằng cách phân chia hiệu quả các LUT lớn thành các LUT nhỏ hơn khi thích hợp. Bởi vì khả năng phân chia này nên nó có tên gọi là Adaptive LUT (ALUT).

Sau một quá trình nghiên cứu và đánh giá các LUT 4, LUT5 và đặc biệt là LUT 6, dựa trên sự tối ưu về tốc độ thì Altera xác định hai điểm chính yếu sau:

- Trộn lẫn các kích thước LUT và các chức năng không phải là LUT 6.

- Các chức năng nhỏ hơn sẽ thực hiện không hiệu quả nếu chỉ có các LUT 6 bởi vì nhiều bit cấu hìnhkhông sử dụng và vùng diện tích thì lớn hơn cần thiết. Nhưng sự không hiệu quả này có thể được khắc phục nếu LUT 6 có thể được chia thành các LUT nhỏ hơn để thực hiện các chức năng nhỏ tương ứng.

Nhiều ý tưởng đã được đưa ra và “LUT 6 thích nghi” (adaptive 6-LUT) với số lượng các ngõ vào được thêm khác nhau và độ linh động đã được nghiên cứu, một giải pháp đầy hứa hẹn. Cuối cùng thì “LUT thích nghi” cũng được nâng cấp để có thể chia sẻ các “mặt nạ LUT” giữa các chức năng, kết quả cuối cùng này là “LUT khả phân 8 ngõ vào” (8-input fracturable LUT) có sơ đồ khối như sau:

Hình này thể hiện điểm khác biệt của ALM trong mối liên hệ với LUT 3, LUT 4 và các bộ dồn kênh, đồng thời ta có thể thấy được khả năng “cắt” và chia sẻ mặt nạ LUT giữa các chức năng lô-gic khác nhau.

Ngoài các LUT thích nghi thì ALM còn có 2 thanh ghi, hai bộ cộng. Thanh ghi được them vào vì các thí nghiệm chỉ ra rằng có nhiều ứng dụng của người dùng cần nhiều hơn tỉ số 1:1 của thanh ghi/LUT.

Biểu đồ sau đây so sánh số thanh ghi và LUT trong các thiết kế thiết được thiết lập trên Stratix II.

Ta thấy rằng gần một nửa trong số đó yêu cầu các thanh ghi nhiều hơn vì vậy sẽ rất giới hạn nếu chỉ có một thanh ghi ứng với một khối mạch tổ hợp. ALM có hai thanh ghi với mật độ tăng cường tạo nên khối có khả năng xây dựng mạnh hơn nhiều. Bên cạnh đó, một bộ cộng thứ hai cũng được thêm vào để tăng cường khả năng số học của ALM.