Основные производители современных ПЛИС-компьютеров и комплектующих к ним

Основанная в 1984 году американская компания Xilinx является одним из лидеров в области производства ПЛИС-микросхем. На данный момент у этой компании существует несколько серий выпускаемой аппаратуры для разного рода вычислений:

• Virtex. Высокопроизводительные ПЛИС на основе FPGA, призванные заменить специализированные интегральные схемы при решениях различных ресурсоемких задач.
• Spartan. Более дешевые и менее производительные ПЛИС FPGA, разработанные для использования в устройствах, рассчитанных на большие тиражи и невысокую стоимость комплектующих.
• CoolRunner и XC9500. Серии ПЛИС типа CPLD, предназначенных для использования в различных портативных устройствах - мобильных телефонах, GPS-навигаторах, КПК и т.д. Для микросхем данного типа главными критериями является минимизация размеров и потребляемой мощности.

Микросхемы данных серий применяются довольно широко: последнее семейство Virtex-5 из серии Virtex используется, например, в суперкомпьютерах Cray XT5h и NEC SX-9. Также ПЛИС FPGA являются альтернативой процессоров цифровой обработки сигналов, для чего в каждом семействе присутствуют модели со встроенными блоками для этой обработки.

Для работы с представленными микросхемами компания Xilinx предоставляет различные программные средства для реализации цифровых схем, для разработки встраиваемых программируемых процессорных систем, а также для отладки и повышения производительности.

Помимо собственно разработки микросхем, компания Xilinx уделяет большое внимание цифровой обработке сигналов, разработке различных IP-ядер для использования в микросхемах, созданию встроенных процессоров и др.

Компания Altera является основным конкурентом компании Xilinx, причем по всем основным направлениям. Главное из них - это производство ПЛИС как типа FPGA, так и типа CPLD. В мае 2008 года Altera представила новое семейство из серии Stratix высокопроизводительных микросхем типа FPGA - Stratix IV, работающих на 40-нм архитектуре. Для менее ресурсоемких задач компания Altera предлагает серию ПЛИС FPGA Cyclone, а в качестве компромисса между производительными Stratix и недорогими Cyclone - серию Arria. Для мобильных устройств выпускается серия Max на основе ПЛИС типа CPLD. Также в дополнение к этим микросхемам компания выпускает серию ASIC микросхем HardCopy, разработанных в качестве специализированных аналогов соответствующих FPGA Stratix. В 2008 году микросхема Stratix III была отмечена наградой DesignVision Award в области "Полупроводники и интегральные схемы".

Начиная с серии Stratix III, в ПЛИС используется технология Programmable Power Technology, которая позволяет варьировать режим работы и, соответственно, потребляемую мощность логических ячеек в зависимости от необходимости быстрого выполнения поставленной задачи.

Микросхемы компании Altera активно применяются во многих областях, например, на рынке беспроводных и проводных коммуникаций, в военных технологиях, в области телевещания, а также в различных мобильных устройствах.

Компания Altera занимается разработкой разнообразного ПО для работы с их микросхемами, среди которых основным программным продуктом является пакет программ Quartus II, который предоставляет различные средства для проектирования и анализа структуры микросхем, а также для оптимизации затрат по потребляемой мощности.

Lattice Semiconductor только в 2002 году начала производство FPGA-микросхем, и на этом рынке она занимает всего порядка нескольких процентов. Однако Lattice Semiconductor является одним из лидеров в области производства CPLD и SPLD (simple PLD - более простые по сравнению с CPLD программируемые устройства) микросхем. На этом рынке компания предоставляет целый спектр ПЛИС различной направленности:

• CPLD общего назначения;
• CPLD с низкой потребляемой мощностью;
• CPLD с гибридной архитектурой серии MachXO - обладает некоторыми свойствами FPGA, что позволяет большей гибкости при программировании;
• CPLD серии ispXPLD 5000V/B/C, которая состоит из блоков Multi-Function Block (MFB), каждый из которых может быть запрограммирован отдельно:
  • как вычислительный блок;
  • как блок памяти RAM или CAM;
  • как блок, реализующий буфер типа FIFO.
• SPLD-микросхемы, используемые для проведения простых операций или в качестве связующих логических схем на плате.

Хотя компания Lattice Semiconductor появилась на рынке ПЛИС FPGA относительно недавно, она выпускает довольно большой ассортимент микросхем данного типа. Среди них стоит выделить микросхемы Field Programmable System Chip (FPSC) - первой серии ПЛИС со встроенными ASIC ядрами, которые предназначены для реализации стандартных IP ядер - шинного интерфейса, высокоскоростного интерфейса или высокоскоростного трансивера; а также серию Lattice XP2 и предназначенный для его программирования прикладной пакет ispLEVER, которым в 2008 году была присуждена премия DesignVision Award в области "Средства программирования микросхем типа ASIC, FPGA и PLD".

Компания Actel делает ставку на производство небольших и недорогих микросхем типа FPGA, ориентируясь на надежность таких ПЛИС. В целом выпускаемые компанией Actel микросхемы можно разбить на два типа:

• с использованием flash-памяти;
• с однократно программируемой памятью (antifuse технология).

Оба типа микросхем обеспечивают высокий уровень защищенности информации как от несанкционированного доступа, так и от альфа- и нейтронного излучения. Также большим преимуществом таких микросхем является тот факт, что они являются не изменяющимися - не требуют загрузки конфигурации архитектуры ПЛИС каждый раз при включении питания. Это означает, что они готовы к работе сразу же после запуска оборудования.

Поскольку компания Actel занимается производством компактных и недорогих ПЛИС (в феврале этого года Actel стала выпускать микросхемы серии ProASIC3 по рекордно низкой цене в 99 центов), основными ее покупателями являются компании, занимающиеся различными портативными устройствами и автомобильной промышленностью. Также благодаря описанным свойствам высокой надежности и моментальной готовности к работе микросхемы компании Actel используются в военной и аэрокосмической областях.

Также стоит отметить разработанную компанией Actel технологию Fusion, которая позволяет объединить логические блоки FPGA, flash-память и аналоговые устройства на одной микросхеме.

Компания Atmel занимается многими отраслями рынка полупроводников: производством микроконтроллеров, устройств Flash-памяти, ASIC-устройств, а также ПЛИС. Направление программируемых микросхем, производством которых она занялась в 1999 году, не является приоритетным, и набор предоставляемой продукции не очень велик. На рынке ПЛИС типа FPGA основной является серия AT40KAL - небольшие микросхемы с числом ячеек порядка нескольких тысяч, используемых в основном для цифровой обработки сигналов. На базе этих микросхем построено семейство чипов Field Programmable System Level Integrated Circuits (FPSLIC), объединяющих на одном кристалле микропроцессорное ядро, оперативную память и программируемую логику. Также Atmel занимается производством SPLD- и CPLD-микросхем, последние из которых характерны тем, что являются совместимыми с аналогичными устройствами основных производителей ПЛИС аппаратуры, таких как Altera и Xilinx.

Помимо производства собственно микросхем, компания Amtel занимается производством оперативной EEPROM памяти (в том числе Flash-памяти), предназначенной для использования в собственных микросхемах серии FPSLIC и FPGA-устройствах основных производителей.

Также Amtel предоставляет услугу Ultimate Logic Conversion (ULC), в рамках которой разработанный для ПЛИС проект переносится на создаваемые этой компанией более дешевые ULC-кристаллы. Процесс конвертирования компания практически полностью берет на себя. В течение 20 лет предоставления этой услуги было преобразовано около 2000 проектов.

Шотландская компания Nallatech является одним из лидеров в области создания готовых вычислительных решений на основе ПЛИС. Она занимается разработкой системных плат и вычислительных модулей для персональных компьютеров, используя в качестве базы микросхемы компании Xilinx. Данные готовые решения применяются в оборонной промышленности для увеличения производительности.

Существует 4 различные серии плат в соответствии с поддерживаемым ими интерфейсом: PCI, cPCI, PIC-104 или VME. Большинство из них работают на ПЛИС Virtex II Pro или Virtex 4, однако в конце 2007 года вышла PCI-X плата со встроенной микросхемой Virtex-5. Все платы поддерживают некоторое количество подключаемых модулей. Эти модули могут отличаться встроенными ПЛИС (Virtex II Pro либо Virtex 4; также бывают модули с двумя встроенными микросхемами), объемом и типом оперативной памяти, а также наличием аналогового или цифрового ввода/вывода. Данные модули подключаются к платам с помощью созданного этой компанией интерфейса Dime.

Для того чтобы облегчить использование предоставляемых решений, компания Nallatech предоставляет среду проектирования DimeTalk, а также пакет FUSE - набор API для языков С/С++ и пакета MatLab.

Помимо оборудования для настольных ПК Nallatech также предоставляет вычислительные решения для HPC производительностью до 50 GFlop/s, представленные в формате IBM BladeCenter или в качестве PCI-X платы. В частности, платы Nallatech H101 используются в суперкомпьютере Maxwell.

Эта компания из Швеции занимается довольно узким направлением - созданием программного обеспечения для упрощения использования ПЛИС в HPC-технологиях. Основная разработка Mitrionics - выпущенный в 2005 году продукт Mitrion Platform, который состоит из Mitrion Virtual Processor (MVP) и Mitrion SDK.

MVP - это построенный на программном ядре настраиваемый процессор с массовым параллелизмом. По своей сути, MVP является абстракцией, прослойкой между пользовательской программой и аппаратурой. Сначала программа преобразуется в конфигурацию для MVP, после чего сконфигурированный нужным образом процессор запускается на ПЛИС и реализует подходящую архитектуру этой микросхемы. Параллелизм в процессоре достигается за счет выделения необходимого числа вычислительных элементов ПЛИС под каждую команду. Применение MVP позволяет пользователю, не касаясь вопросов архитектуры ПЛИС, программировать под нее свою задачу.

Преобразованием пользовательской программы в конфигурацию для MVP занимается Mitrion SDK. В состав этого пакета входят компилятор, отладчик, а также симулятор для тестирования приложений при отсутствии доступа к ПЛИС-аппаратуре. Программа должна быть написана на Mitrion-C - языке программирования с неявным параллелизмом, по синтаксису сильно напоминающем С.

Поскольку MVP берет целиком на себя задачу проектирования ПЛИС-устройств, которые отличаются довольно сильно от производителя к производителю, он не может быть универсальным. Обеспечивается поддержка следующих платформ:

• Cray XD1;
• Nallatech BenDATA-DD and H100 series;
• Scan Engineering Telecom SAMC-707;
• SGI RASC RC100.

Продукция компании Mitrionics применяется для решения различных ресурсоемких задач, требующих HPC-вычислений, таких как изучение последовательностей генов, распознавание образов, а также в биоинформатике.

Данная компания занимается производством оборудования на основе ПЛИС-микросхем. Среди выпускаемой продукции можно выделить две группы:

• Платы на основе ПЛИС микросхем Virtex компании Xilinx;
• Дополнительные модули к этим платам:
  • Модули для ввода/вывода;
  • PMC (PCI Mezzanine Card) адаптеры;
  • Устройства для работы с аналоговыми сигналами.

Выпускаемые компанией Alpha Data платы применяются в военной и космической промышленностях, в телекоммуникациях, а также в цифровой обработке сигналов. Для облегчения работы с ними компания предлагает программные пакеты, встраиваемые в программы Matlab и Simulink.

ПЛИС-платы компании Alpha Data используются в суперкомпьютере Maxwell, а также в таких компаниях, как Boeing, Nokia и Motorola.

Организованная в 1988 году компания QuickLogic полностью ориентирована на рынок портативных устройств. До 2007 года основным ее продуктом была серия недорогих однократно программируемых ПЛИС PolarPro с низким энергопотреблением. Однако после этого момента компания решила уйти с FPGA-рынка и сфокусироваться на производстве CSSP микросхем (Customer Specific Standard Products), являющихся частным случаем специализированных интегральных схем.

CSSP устройства компании QuickLogic обладают следующими свойствами:

• Они однократно программируемы;
• Процесс программирования осуществляется самой компанией при участии пользователя;
• Эти устройства состоят из блоков двух типов:
  • Программируемые блоки;
  • Аппаратно зашитые блоки, реализующие USB, SD, MMC и другие интерфейсы (отсутствуют в устройствах серии PolarPro).

В связи с изменением политики компании, серия ПЛИС PolarPro была переориентирована в соответствующие CSSP устройства, а также было выпущено новое семейство CSSP микросхем ArcticLink.

Сферы применения микросхем компании QuickLogic:

• Смартфоны;
• Плееры;
• Портативные навигационные устройства;
• HDD диски;
• Flash-карты и т.д.

В отличие от многих производителей ПЛИС, компания Achronix Semiconductor при производстве ПЛИС FPGA делает ставку не на низкую стоимость и энергопотребление, а на высокую производительность и надежность. Выпускается две серии микросхем:

• Серия Achronix-Ultra с частотой до 2.2 ГГц, что является рекордным значением для ПЛИС.
• Серия Achronix-Xtreme с частотой около 1 ГГц, устойчивых к радиационному излучению и предназначенных для работы в большом температурном диапазоне - от -260°С до +130°С.

Причиной появления столь высокой тактовой частоты является использование асинхронной технологии - элементы микросхемы не синхронизированы между собой. При этом частота в 2.2 ГГц означает, что такая микросхема работает с той же производительностью, что и имеющая аналогичную архитектуру синхронизированная микросхема ( CEO Interview: John Lofton Holt of Achronix). Асинхронность скрыта от пользователя под уже синхронизированной аппаратной и программной инфраструктурой.

Как становится понятным из вышеперечисленных свойств выпускаемых данной компанией микросхем, основными целевыми отраслями являются сферы, требующие большой вычислительной мощности и/или работы в экстремальных условиях. Это аэрокосмическая и военная промышленности, высокопроизводительные вычисления, а также сфера коммуникаций и цифровая обработка сигналов.

Компания MathStar занимается производством устройств с программируемой логикой, однако она выпускает не совсем обычные микросхемы - Field Programmable Object Arrays (FPOA). Отличием последних является то, что в них логические вентили объединены в объекты, каждый из которых обладает некоторой законченной функциональностью. Объекты бывают двух типов: основные и периферийные. Основные объекты - арифметико-логическое устройство, умножитель и регистровый файл, - работают на частоте в 1 ГГц и предназначены собственно для вычислений, тогда как периферийные объекты предоставляют дополнительную память и доступ к вводу/выводу. Наличие у всех объектов одинакового интерфейса позволяет варьировать число и расположение каждого из них.

Преимуществом такого подхода является абстрагирование от самого низкого уровня архитектуры при ее проектировании: пользователю приходится работать не с уровнем вентилей, а с уровнем объектов. Это существенно упрощает процесс проектирования, однако уменьшает гибкость системы.

Основной и практически единственной областью применения данных устройств является обработка видео и изображений, о чем свидетельствует набор предоставляемых IP-ядер, нацеленных целиком на использование в данной сфере.

Основной сферой компании National Instruments является разработка и создание различных программно-аппаратных средств автоматизации моделирования, диагностики, тестирования и т.д. В области ПЛИС эта компания представлена различными готовыми решениями на базе существующих FPGA-микросхем, а также программным обеспечением высокого уровня для проектирования ПЛИС-архитектуры для этих решений.

Среди готовых решений представлены программируемые контроллеры, подключаемые PCI и PXI платы, предназначенные для обработки данных или организации высокоскоростного ввода/вывода, а также системы слежения, в которых FPGA-микросхемы используются для обработки изображений, модуляции сигналов и синхронизации.

Компания Sun в 2005 году запустила проект OpenSparc, в рамках которого она предоставляет открытые коды процессора UltraSparc T1 и предлагает разработчикам участвовать в процессе его усовершенствования. А для того, чтобы процесс разработки был более доступным, Sun предлагает реализацию на ПЛИС некоторых элементов OpenSparc - собственно ядра процессора Sparc, математического сопроцессора и коммутатора между центральным процессором и кэш-памятью.

Компания SGI является одним из лидеров в области высокопроизводительных вычислений. Среди ее разработок семейство Altix масштабируемых блейд-серверов, система высокоскоростного межсетевого взаимодействия NUMALink, а также различные решения в области хранения данных.

Для увеличения производительности компания SGI выпустила в 2006 году блейд-модуль с использованием FGPA ускорителей - SGI RASC RC100. В его состав входят две ПЛИС микросхемы Xilinx Virtex 4, 80 МБ QDR SRAM, а также 4 порта NUMALink. Модуль рассчитан на использование в блейд-серверах семейства Altix. Компания SGI предлагает использовать данное решение в задачах исследования жидкостей и газа, биоинформатики, а также в военной сфере.

Для возможности использования и программирования ПЛИС-микросхем предлагается следующее:

• Встроенный отладчик GNU Debugger для работы с программой, предназначенной для запуска на ПЛИС;
• RASC Abstraction Layer для обеспечения масштабирования;
• Поддержка языков высокого уровня Mitrion-C и Impulse-C;
• Поддержка языков Verilog/VHDL.

Проект RASC (Reconfigurable Application Specific Computing).

Компьютерный гигант компания Cray поддерживает программу Adaptive Supercomputing, идея которой состоит в создании гибридных суперкомпьютеров, объединяющих различные архитектуры. Необходимость таких компьютеров они объясняют тем, что суперкомпьютеры с обычной архитектурой зачастую не предоставляют нужной производительности, а главное - гибкости.

В 2004 году Cray построила гибридный суперкомпьютер Cray XD1, в котором для большего ускорения совместно с основными процессорами AMD Opteron используются FPGA-микросхемы компании Xilinx. А в 2007 году был построен суперкомпьютер Cray XT5h, объединяющий в себе скалярные и векторные процессоры, а также процессоры на основе ПЛИС.

Образованная бывшими сотрудниками компании Mentor Graphics компания MNB Technologies занимается разработкой и производством устройств на основе ПЛИС, обладающих повышенной надежностью и предназначенных для использования в "полевых" условиях, то есть в мобильных и персональных компьютерах. Основные продукты этой компании:

• Подключаемый модуль turboRTAG, который призван облегчить процесс объединения гетерогенных систем под одной архитектурой за счет использования общего коммуникационного протокола;
• Подключаемая RASP-плата (RASP - reconfigurable architecture for software protection), которая обеспечивает защиту сети. Она служит заменой Ethernet адаптера на хост-компьютере и предоставляет сетевой интерфейс и защищенную передачу данных.
• Программный продукт solutionBUS, который обеспечивает более простой и надежный процесс разработки приложений для ПЛИС. solutionBUS может предоставляться в виде класса языка SystemC, Impulse-C библиотеки или зашифрованной Verilog библиотеки.

Также компания MNB Technologies предлагает различные сервисы по разработке необходимой архитектуры для плат, ПЛИС-микросхем и проектированию.

Основное направление компании CPU Tech - разработка и создание систем на кристалле (SoC) - схем, выполняющих функцию целого устройства. Решения такого класса часто применяются в тех областях, где необходимы небольшой размер и энергопотребление при достаточно высокой производительности, например, в оборонной и автомобильной промышленности, а также в банковском деле и системах безопасности.

Основным решением компании в области "железа" является SoC-семейство Acalis. CPU Tech называет эти устройства Программируемые логические многоядерные схемы (Field Programmable Multicore Chip, FPMC). Если обычные ПЛИС микросхемы - это набор вентилей, то FPMC - это набор ядер, которые в этих устройствах являются элементарными единицами. Каждое ядро (микропроцессор) - это либо блок вычислений, ввода/вывода или RAM памяти, либо контроллер памяти, либо элемент коммуникаций. Для работы с данными устройствами не требуется специальное ПО: те программные средства, которые используются при работе со стандартными микропроцессорами, могут быть применены и на FPMC-устройствах.