Einleitung_. FPAAs Field Programmable Analog Arrays. (1) Was sind FPAAs? (2) Wie funktionieren FPAAs? (3) Stand der Technik heute?

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1 FPAAs Field Programmable Analog Arrays Ein Vortrag von Noah Smeets im Fach: Technische Informatik Montag, 29. Januar 2018 Einleitung_ (1) Was sind FPAAs? (2) Wie funktionieren FPAAs? (3) Stand der Technik heute? 1

2 Agenda Grundlagen Funktionsweise Architektur Vorteile Aktuelle Marktsituation Von FPGA zu FPAA (Nachteile) Ausblick Fazit Grundlagen (Funktionsweise)_ 2

3 Grundlagen (Funktionsweise)_ I R = ΔU 12 R = I C = ΔQ 12 = f ΔQ Δt 12 = f C ΔU 12 ΔQ 12 : ΔU 12 : I C : I R : f: Ladung, welche über S1 in einem Taktzyklus transportiert wird Spannungsdifferenz U 1 -U 2 Mittlerer Strom über einen Taktzyklus Strom durch den Widerstand R Taktfrequenz Grundlagen (Funktionsweise)_ ΔQ 12 : ΔU 12 : I C : I R : f: I R = ΔU 12 R = I C = ΔQ 12 = f ΔQ Δt 12 = f C ΔU 12 Ladung, welche über S1 in einem Taktzyklus transportiert wird Spannungsdifferenz U 1 -U 2 Mittlerer Strom über einen Taktzyklus Strom durch den Widerstand R Taktfrequenz R = 1 f C 3

4 Grundlagen (Funktionsweise)_ OP-Schaltung mit Widerständen und Kapazitäten (a) Proportionalverstärker OP-Schaltung mit geschalteten Kapazitäten (c) SC-Verstärker und SC-Integrierer (b) Integrierer Einführung Grundlagen &(Funktionsweise)_ Grundlagen_ OP-Schaltung mit Widerständen und Kapazitäten (a) Proportionalverstärker OP-Schaltung mit geschalteten Kapazitäten (c) SC-Verstärker und SC-Integrierer (b) Integrierer U 2 = C 1 C 2 U 1 mit R 1 = 1/C 1 ; R 2 = 1/C 2 4

5 Einführung Grundlagen &(Funktionsweise)_ Grundlagen_ OP-Schaltung mit Widerständen und OP-Schaltung mit geschalteten Kapazitäten Kapazitäten (a) Proportionalverstärker (c) SC-Verstärker und SC-Integrierer (b) Integrierer U 2 = C 1 C 2 U 1 mit R 1 = 1/C 1 ; R 2 = 1/C 2 ΔU 2 = k ΔU 2 kt = f C 1 U C 1 dt 2 Einführung Grundlagen &(Funktionsweise)_ Grundlagen_ OP-Schaltung mit Widerständen und OP-Schaltung mit geschalteten Kapazitäten Kapazitäten (a) Proportionalverstärker (c) SC-Verstärker und SC-Integrierer programmierbare konfigurierbare Kapazitäten (b) Integrierer U 2 = C 1 C 2 U 1 mit R 1 = 1/C 1 ; R 2 = 1/C 2 ΔU 2 = k ΔU 2 kt = f C 1 U C 1 dt 2 5

6 Einführung Grundlagen &(Architektur)_ Grundlagen_ OP-Schaltung mit Widerständen und Kapazitäten (a) Proportionalverstärker OP-Schaltung mit geschalteten Kapazitäten (c) SC-Verstärker und SC-Integrierer Configurable Analog Block (CAB) (b) Integrierer U 2 = C 1 C 2 U 1 mit R 1 = 1/C 1 ; R 2 = 1/C 2 ΔU 2 = k ΔU 2 kt = f C 1 U C 1 dt 2 Grundlagen (Architektur)_ OP-Schaltung mit Widerständen und Kapazitäten (a) Proportionalverstärker OP-Schaltung mit geschalteten Kapazitäten (c) SC-Verstärker und SC-Integrierer Configurable Analog Block (CAB) (b) Integrierer U 2 = C 1 C 2 U 1 mit R 1 = 1/C 1 ; R 2 = 1/C 2 ΔU 2 = k ΔU 2 kt = f C 1 U C 1 dt 2 6

7 Grundlagen (Architektur)_ OP-Schaltung mit Widerständen und Kapazitäten (a) Proportionalverstärker OP-Schaltung mit geschalteten Kapazitäten (c) SC-Verstärker und SC-Integrierer Configurable Analog Block (CAB) (b) Integrierer U 2 = C 1 C 2 U 1 mit R 1 = 1/C 1 ; R 2 = 1/C 2 ΔU 2 = k ΔU 2 kt = f C 1 U C 1 dt 2 Grundlagen (Architektur)_ 7

8 Grundlagen (Architektur)_ Routing Network / Interconnection Global & Lokale Verbindungen möglich z.b. Nicht-Linearitäten Grundlagen (Architektur)_ 1 x FPAA - IC n x CABs 1 x Routing Network 8

9 FPAA & FPGA FPAA Einführung & Grundlagen n x CABs n x CABs 1 x FPAA Routing - IC Network 1 x Routing Network Vorteile_ Schnelle Implementierung gesteigerte Produktivität (Bibliotheken) Flexibilität (Rekonfigurierbarkeit) Schaltungen einfach transferierbar Nicht-Linearitäten und Adaptive Systeme einfach realisierbar Komplexe Filterschaltungen einfach implementierbar schnellere analoge Berechnungen ohne AD-Wandlung möglich 9

10 Die aktuelle Marktsituation_ Erster und einziger erfolgreicher Anbieter von FPAAs Die aktuelle Marktsituation_ Erster und einziger erfolgreicher Anbieter von FPAAs Anwendungen? 10

11 Die aktuelle Marktsituation_ Erster und einziger erfolgreicher Anbieter von FPAAs Anwendungen? wenig Von FPGA zu FPAA_ FPAA Idee aus der digitalen Welt (Bausteinprinzip) Analog komplexere Bausteine (Parameteranzahl) Probleme (Einschränkungen: Bandbreite (max. 2 MHz), Verstärkung, Kapazität) FPGA 11

12 Von FPGA zu FPAA_ Design Parameter FPGA FPAA Signalaufbereitung Kapazität Entwicklungsumgebung el. Leistungsaufnahme + - Betriebsfrequenz Verstärkung [1] Kapazität Sinne der zur Verügung stehenden Ressourcen auf dem Bauteil Ausblick_ Viel Optimierung betrieben (Signalpfade, Platz etc..) Hexagonale Struktur (erstmalig kein matrizenförmiges Routing Netzwerk mehr) Joachim Becker 2009 Den Flaschenhals der AD- Wandler - Paul Hasler (Georgia Institute of Technology) Parallelität Laplace Transformationen Bildverarbeitung Fortschrittliche Entwicklung der FPGAs im analogen Bereich ( schnelle AD Wandler) 12

13 Fazit_ Hohes Potential der Technologie (siehe FPGA) Bisher nicht in der Industrie etabliert Entwicklungsarbeit notwendig Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! 13

14 Quellen_ Servenger LLC, [Online]. Available: M. F.Hassan, VLSI Egypt, 3 Mai [Online]. Available: Prof. Dr. Martin Schubert, Kap. 9 Geschaltete Kapazitäten (Switched Capacitors)- Vorlesungsskript Schaltungstechnik, FH-Regensburg. J. Strohschenk, Das analoge FPGA, all-electronics.de, pp. 22,24, [Online]. Available: D. NATH, SlideShare, [Online]. Available: Altera, FPGAs for High-Performance DSP Applications, FPGA and Programmable Logic Journal, Prof. Dr. Martin Schubert, Praktikumsversuch Field Programmable Analog Array (FPAA), Regensburg University of Applied Sciences, Regensburg. R. Selow und C. R. E. Lima, A comparison of FPGA and FPAA technologies for a sigal processing application, Universität Positivo, Curitiba, Brasilien, Prüfungsfragen:_ 1) Durch welches Prinzip können grundlegende analoge OP-Schaltungen durch eine Schaltung simuliert werden? 2) Was sind die Vorteile einer analogen rekonfigurierbaren Schaltung (FPAA)? 3) Wo liegen die Ursachen, dass Field-Programmable- Analog-Arrays sich bis heute nicht etablieren konnten? Lösungen auf der letzten Folie 14

15 Lösungen:_ 1) Prinzip der geschalteten Kapazitäten (Folie 5-10) 2) Einfach realisierbar/implementierbar sind: (Folie 18;24) Komplexe Filterschaltungen Nicht-Linearitäten Adaptive analoge Systeme schnellere analoge Berechnungen ohne AD-Wandlung 3) Ursachen sind: (Folie 22-23) Einschränkungen in der Bandbreite, Verstärkung und geringe Bauteilkapazitäten der bisherigen Chips auf dem Markt Fortschrittliche Entwicklung der FPGAs im analogen Bereich ( schnelle AD Wandler) 15