ASIC и FPGA: четиридесет години еволюция

Във всеки съвременен телефон има няколко ASIC. С тях са пълни автомобилите, стелажите на центровете за данни, сензорите на интелигентните домове и изобщо всички електронни устройства. Без ASIC чиповете бързият интернет, 3D игрите и ускорителите за машинно обучение биха били невъзможни.

Чиповете ASIC, техните родственици FPGA и технологиите за проектиране, които се развиха заедно с тях, направиха възможно влагането на сложни алгоритми директно в хардуера. Те разчупиха стереотипа, че една изчислителна система е само процесор, памет и програмиране. В тази статия обърнем внимание на това как се развиха ASIC, каква роля изиграха FPGA в този процес и какъв може да бъде хардуерът на бъдещето.

Еволюцията на значението на съкращението ASIC

Съкращението ASIC означава Application-Specific Integrated Circuit (интегрална схема със специфично приложение). Сега това наименование може да изглежда странно, тъй като всички съвременни чипове са интегрални и всеки от тях има някакво приложение. Но терминът ASIC се разпространява преди повече от 40 години, в началото на 80-те години на миналия век. Тогава той се отнасяше за чипове, които не бяха нито микропроцесори, нито стандартни групи логически елементи – AND, OR, D-тригери.

По-късно терминът ASIC започва да се използва за група микрочипове с определено разположение на логическите елементи: редове от клетки с еднаква височина и канали между тях. Тази група се противопоставя на микросхемите със свободно разположение на логическите елементи, създадени само за един единствен проект. „Свободният“ стил се наричаше full-custom. До средата на 90-те години на миналия век усъвършенстваните микропроцесори се проектираха в този стил, но след това размерът им се увеличи и подходът full-custom стана твърде трудоемък. Оттогава дори процесорите се проектират в стил ASIC.

Постепенно, от 80-те години на миналия век, те започват да поставят в един чип това, което преди е било в няколко: към процесорните ядра се добавят кешове и математически копроцесори, вградени блокове памет, контролери на периферни устройства, графични ускорители и ускорители за машинно обучение. За тази организация на чипа беше въведено наименованието „система върху чипa“ или „едночипова система“, но това значение се обърка и с термина ASIC.

Терминът ASIC придобива особено значение сред проектантите на мрежови устройства по време на възхода на интернет в края на 90-те години на миналия век и сред миньорите на криптовалути в края на 2010-те години.

За мрежовите инженери ASIC е чип за бърза обработка на пакети данни, който заобикаля основния процесор. Повечето пакети са опростени, те трябва да бъдат получени от порта на маршрутизатора, да се модифицира заглавието и да се изпратят към друг порт. Процесорната програма прави това бавно, защото байт по байт променя съдържанието първо на единия пакет, а след това на другия. Но от ASIC клетките може да се изгради т.нар. конвейер – хардуерна структура, която за всеки порт и на всеки такт ще получава пакетно предаване от десетки байтове, а след това ще обработва много пакети паралелно.

Конвейерът за обработка мрежовите пакетите работи като конвейер в завод за автомобили, от който на всеки няколко минути излиза нов автомобил. Сглобяването на автомобила изисква много ходове на конвейера. Вътре в ASIC тези движения се синхронизират: милиард пъти в секунда при тактов сигнал от 1 GHz.

В един процесор с общо предназначение също има конвейер, но той е конвейер за инструкции, а не за пакети. Ето защо обработката на мрежовите пакети от външен за процесора ASIC чип ускорява работата на мрежите стотици и дори хиляди пъти. Така бе избегнат сривът на интернет, който бе предсказан за през 90-те години на миналия век.

Не по-малък е приносът на ASIC за компютърната графика: за да се ускори тя, се изгражда хардуерен конвейер за обработка на координатите на триъгълниците, които съставляват изображението в една триизмерна видеоигра, и след това триъгълниците се превръщат в групи пиксели на екрана.

През 2010 г. съкращението ASIC започна да се свързва с добива на криптовалути. Но съвременното му значение съвсем не се ограничава само до гореспоменатите области на приложение. Днес ASIC се използват в компютрите, сензорите за интернет на нещата и сателитите. Сега те са навсякъде и всичко се е превъплътило в тях.

Между цифрово лего и приложенията

В края на 70-те и началото на 80-те години на миналия век компаниите в електронната индустрия се разделиха на такива, които произвеждаха чипове, и такива, които изграждаха електронни системи с тяхна помощ. Първите знаеха как да създават микропроцесори, памети и така наречените „необработени чипове“ – чипове с група подобни логически елементи. Вторите знаеха какви са нуждите на потребителите на потребителска електроника и на телекомуникационните системи, имаха в състава си дизайнери на печатни платки, алгоритми за обработка на звук и видео, разработчици на игри.

Бумът на персоналните компютри породи нов тип компании – производители на ASIC. Основаните през 1979 г. и 1980 г. VLSI Technology и LSI Logic станаха любимци на рисковите капиталисти – Джон Несхайм ги посочва като пример в книгата си High Tech Start-Up. Тези компании произвеждаха специализирани чипове по поръчка за мрежови адаптери, цифрови телевизори и RISC микропроцесори.

Първите ASIC бяха с размер до 200 логически елемента. През 90-те години на миналия век броят им вече е стотици хиляди, а в наши дни е милиарди.

Море от вентили, стандартни клетки и техните библиотеки

Първоначално ASIC бяха изградени на базата на технологията за масиви от шлюзове, която познаваме като „кристална базова матрица“ (BMC, base matrix crystal). Една от разновидностите на този начин на организиране на транзисторите върху чипа се нарича още море от гейтове. Основата на технологията е, че върху чипа се изгражда „море“ от несвързани гейтове от един и същи тип. Микрочиповете с едно и също „море“ се продават на различните клиенти, но за всеки клиент гейтовете се свързват към схемата чрез допълнителни слоеве метализация. През 80-те години на миналия век за тази цел се използваха алуминиеви писти, а през 90-те години се премина към медни.

След известно време BMC бива изместена от технологията на стандартните клетки или стандартните ASIC клетки. Думата „стандартен“ тук едновременно означава, че различните проекти използват един и същ набор от клетки и че тези клетки имат стандартна височина в изображението на чипа, когато се гледат отгоре.

Стандартните клетки са подредени на повърхността на чипа в редици една подир друга. Клетките в библиотеката обикновено се проектират с няколко ограничения: предварително определена (фиксирана) височина, разположение на заземителните/захранващите шини в горната и долната част на клетката и много други. Това опростява създаването на връзките между клетките (маршрутизацията), които се правят непосредствено над тях в метализационните слоеве.

Различните клетки имат различни функции. В допълнение към логическите елементи AND, OR, NOT и техните разновидности с различен брой входове (2 или 3), ASIC библиотеката може да има:

• комбинирани клетки, напр. заедно AND-OR-NOT,
• различни варианти на елементите на състоянието (D-тригери),
• елементи за селекция – мултиплексори,
• блокове за прости аритметични схеми, по-конкретно суматори.

ASIC библиотеката обикновено се разработва от инженери, свързани с конкретна технология, за конкретна фабрика. Библиотеката за 3nm технология е различна от тази, създадена за 130nm. За всяка клетка в базата данни на библиотеката се съхраняват:

• логическата функция,
• физическите размери,
• времевите закъснения в пикосекунди,
• параметри, които позволяват да се изчисли консумацията на енергия.

Коеволюция с инструментите за проектиране

Както показа времето, компаниите за производство на ASIC бяха първите лястовици в разделението на труда в електронната индустрия. През 80-те години на миналия век се наблюдава разделяне на проектирането от производството. Тогава се появиха:

• Компаниите за полупроводници без фабрики (fabless semiconductor companies),
• Производство, което не проектира, а само произвежда чипове (pure play foundries),
• Компании, продаващи софтуер за проектиране.

Начините за организиране на логиката върху чипа и структурата на ASIC библиотеките се развиват в тясна връзка със софтуера за проектиране. В началото на 70-те години на миналия век, дори преди ASIC, проектантите чертаеха схемите с молив или конструираха изображенията на пистите и транзисторите от цветен картон. Към края на десетилетието вече имаше редактори за свързване на елементите на компютърния екран, в режим на псевдографичен текст или на графичен дисплей. По същото време се появиха и първите програми за автоматично разполагане и трасиране на логическите елементи с проводници.

За програмите за трасиране беше удобно да разделят проблема със свързването на цялостното трасиране и на подробното трасиране – това улесняваше разработването на ефективни алгоритми. При глобалното проследяване всеки метален слой се разделя на отделни малки участъци (tile), с които се свързва определен сегмент от взаимовръзката. В рамките на детайлното трасиране в даден сегмент или набор от сегменти се създава правилно топологично представяне на веригите, свързани с него на етапа на глобалното трасиране. Това разделение позволи създаването на ефективни алгоритми за решаване на задачи с много висока размерност (милиони обекти).

В началото на 80-те години на миналия век компаниите за софтуер за проектиране на чипове започнаха да се разглеждат като отделна индустрия – Electronic Design Automation, или EDA. Стартиращите компании за EDA бяха нетърпеливо финансирани от рискови инвеститори. Един такъв стартъп, Synopsys, през 1988 г. представи на пазара технологията за логически синтез и се превърна в голяма компания. Synopsys, заедно с Cadence Design Systems и Mentor Graphics (сега подразделение на Siemens EDA), се превърнаха в лидери в EDA индустрията и все още запазват позициите си.

Край на първа част. Във втората част ще разгледаме синтеза на логиката и поведението на най-новите чипове и по-специално на технологията на RTL синтеза. Разбира се, ще се спрем на възникването на идеята за създаването на хардуер с променливи параметри и за самите програмируеми логически матрици FPGA (Field-programmable gate array)