Utvecklingen av de programmerbara logiska kretsarna befinner sig mitt i en omfattande förändring. Från att ha varit en krets bland andra på ett kort håller de på att erövra positionen som plattform för hela systemet.

Bakom utvecklingen ligger först och främst kretsarnas radikala ökning av storlek och prestanda. De har i flera år vuxit snabbare än de genomsnittliga konstruktionerna, och idag är kretsarna faktiskt större än vad många konstruktörer klarar att fylla.

De programmerbara logikkretsarna har inte följt Moores lag, utan i stället utvecklats snabbare än andra kretstyper. Tillverkarna har under förra året hämtat in det sista processtekniska försprånget gentemot asicar och processorer. Dagens FPGA:er i frontlinjen görs i 0,18 eller 0,15 µm-teknik med sex eller åtta metallager, i ett par fall med kopparledare, och rymmer flera hundratusen grindar per kvadratcentimeter kisel.

Det här har gjort att kretsstorlek inte är en lika kritisk fråga för konstruktörerna längre. Förvisso kräver många FPGA-användare ständigt allt större kretsar, men för den stora massan av konstruktioner är dagens FPGA:er absolut tillräckliga.

En rundringning som Elektroniktidningen gjort bland FPGA-leverantörer, konstruktörer, konsulter och verktygsleverantörer ger vid handen att ett genomsnittligt svenskt FPGA-projekt idag ligger mellan 100 000 och 250 000 grindar, vilket är mellan tre och fem gånger större än för ett år sedan. Dagens största FPGA-kretsar klarar runt en miljon grindar, beroende på hur man räknar - fullt tillräckligt för projekt långt över genomsnittet, alltså.

Projekt kring en miljon grindar är dock inte ovanliga, och det finns exempel på FPGA-konstruktioner med tiotals miljoner grindar, förvisso implementerade i flera kretsar.

- För kretsarna i vår Apexserie ligger snittet idag mellan 100 000 och 200 000 grindar. För ett år sedan låg det mellan 30 000 och 50 000. En extremt stor konstruktion vi är inblandade i just nu är

ett kort med sex kretsar om vardera 1,5 miljoner grindar, berättar Lars Hallberg på kretstillverkaren Altera.

Priserna dalar 40 procent om året

Samtidigt vandrar priserna raskt nedåt, tumregeln säger med 30-40 procent per år räknat som pris per grind. På vissa områden är prisraset ännu snabbare - det gäller föga förvånande på relativt mogna områden med stor konkurrens, som generella logikkretsar med runt 100 000 grindar. Dessa kostar idag inte mer än en hundralapp per styck i volym.

Stora nyintroducerade kretsar kostar förvisso en rejäl slant - Xilinx senaste värstingkrets med sex miljoner grindar har ett styckelistpris kring 12 000 kronor. Men den som startar ett projekt idag kan lugnt räkna med att priset hinner gå ner avsevärt under de månader som konstruktionsarbetet pågår.

Utvecklingen accelereras av alla nya funktioner som läggs in på chipsen. Egentligen håller begreppet "programmerbar logik" på att bli ganska missvisande - kretsarna innehåller ju allt mer som inte är logik. Mängden inbyggt minne ökar ständigt, och finns numera både insprängt i logikelementen och som dedicerade minnesbanker. Andelen minne i förhållande till logiken ökar också stadigt.

Dessutom ökar förekomsten av andra hårdvaruelement som multiplikatorer, PLL:er, specialiserade in- och utgångsfunktioner samt gränssnitt implementerade i hårdvara. även hårdvaruimplementerade processorer har börjat dyka upp - Alteras kretsar kan idag fås med såväl Arm- som Mipskärnor och innan året är slut har Xilinx lovat att leverera kretsar med Power PC-kärna i hårdvaruform.

Parallellt ökar användningen av så kallade IP-block (Intellectual Property). Idag finns IP-bibliotek med hundratals funktioner hos kretsleverantörerna, i varierande prisklasser från gratis och uppåt. Populärast är kommunikationsgränssnitt av olika slag, främst PCI. Men även signalbehandlingsfunktioner samt avkodare och kodare ökar i popularitet.

än kanske det dock är lite tidigt att tala om ett genombrott vad gäller IP-användning. Enligt IC Insights användes IP-block i färre än var tionde FPGA-krets förra året. Men enligt såväl kretstillverkare som konsulter och andra användare finns idag inget motstånd mot tanken, utan det är mer en fråga om pris och prestanda.

När det är enkelt och billigt, som för PCI-gränssnitt, så har ingen något emot IP-block. För mer komplicerade element, exempelvis processorkärnor, så går det trögare trots att utbudet ökar av såväl hårda som mjuka programvarubaserade, syntetiserbara kärnor.

Mindre tillverkare nischar in sig

Alla tillverkare går förvisso inte i samma spår. Något hårdraget kan man säga att Xilinx, Altera och i viss mån även Cypress satsar på storlek och prestanda, medan de övriga försöker nischa in sig på specialiserade områden.

Quicklogic och Agere (före detta Lucent Microelectronics) är två företag vars kretsar kan beskrivas som hybrider mellan programmerbar logik och inbyggda system. Delar av kretsarna består av programmerbar logik, resten är cellbaserade funktioner, främst för kommunikation.

I Ageres FPSC-kretsar, field programmable system chips, finns idag element för PCI och LVDS implementerade i de cellbaserade delarna. I Quicklogics bidrag, kallat ESP, Embedded Standard Products, finns exempelvis LVDS-gränssnitt för gigabitfart, funktioner för serialisering och deserialisering, block för multiplicering och ackumulering (MAC) och en del annat.

En annan tillverkare, Lattice, har främst gjort sig känd för förmågan att programmera om kretsarna på sin plats på kortet. Tekniken kallas ISP, In System Programmability.

Oavsett om behovet är storlek eller specialfunktioner så är trenden klar. Programmerbar logik håller på att ta steget från en funktionskomponent eller ett asicalternativ till grunden för systemkonstruktion. Det är denna förskjutning mot plattformar och systemtänkande som är den verkliga revolutionen, och den har bara börjat.

Utvecklingen ställer förstås stora krav på verktyg och konstruktionsmetodik. VHDL, simulering och syntes måste idag tas för givet. För större konstruktioner krävs även avancerad verifiering, exempelvis med hårdvaruaccelererad simulering, emulering och formella metoder. Här har varken utbudet av verktyg eller majoriteten av konstruktörernas kompetens hängt med i utvecklingen, vilket har resulterat i att verifieringstiderna drar iväg till många månader, ibland rentav år. Men även här sker förändringar. Hardi Electronics och Mentor Graphics, två av de största leverantörerna av verktyg för FPGA-konstruktion på den svenska marknaden, anger båda att efterfrågan är god på avancerade verktyg, och att intresset växer kraftigt.

En konsekvens av förändringen är att allt fler ingenjörer med programmerarbakgrund engageras i FPGA-utvecklingsprojekt. Detta har förstås sin grund i bristen på hårdvarukonstruktörer, men borde också åtminstone i teorin skynda på utvecklingen mot systemtänkande snarare än komponenttänkande.

När det gäller själva systemkonstruktionen så är ju VHDL-kodning inte väsensskilt från C-kodning. Sedan är det en annan sak att det alltjämt krävs gediget hårdvarukunnande för att på bästa sätt mappa konstruktionen mot en viss krets eller optimera klocknät.

Kapsling kan bromsa utvecklingen

Kommer då utvecklingen att fortsätta i samma takt? En del tecken tyder faktiskt på en relativ avmattning. Eftersom FPGA-erna idag är teknikdrivande finns inte längre möjligheten att accelerera utvecklingen genom att snabbare anamma känd processteknik.

En annan viktig parameter är kapslingen. Dagens största FPGA:er har över 1 000 in- och utgångar, väl i klass med de största processorerna och asicarna. Ska FPGA-kretsarna växa måste de även driva kapselutvecklingen - inte heller här finns längre några föregångare.

ökningstakten hos den genomsnittliga konstruktionen kanske också avtar en smula, samtidigt som spannet mellan medelmåtta och spjutspets ökar. IC Insights spår att en medelstor logikkonstruktion om tre år består av 400 000 grindar, använder 200 kbit minne på chipset och klockas i 400 MHz. En sådan krets kommer då att kosta runt 20 dollar. En konstruktion i frontlinjen år 2004 kommer att omfatta kring sex miljoner grindar, använda 4 Mbit minne, ha en riscprocessorkärna med cacheminne på kretsen och klockas i 622 MHz.

Siffrorna upplevs som konservativa av de aktörer som Elektroniktidningen pratat med. Men de indikerar likväl att utvecklingstakten kan avta en smula de närmaste åren.

Mot detta talar dock att de största FPGA-företagen, Xilinx och Altera, nu för tiden tillhör de största kunderna

hos kiseltillverkarna UMC respektive TSMC. Dessa kiseltillverkare hör till de mest aggressiva vad gäller processutveckling och övergång till 12-tumsskivor, vilket borde gynna utvecklingen.

Ett rimligt antagande är att FPGA:erna framöver "enbart" kommer att följa Moores lag, det vill säga dubbla storlek och prestanda var 18:e månad.

För konstruktioner som inte ligger i kretsarnas absoluta frontlinje ser läget dock betydligt ljusare ut. Inga tecken finns på att prisraset ska avta, tvärtom. Och utvecklingen mot mer specialiserade logikkretsar kommer med all sannolikhet att fortsätta.