佐治亞理工學(xué)院(GIT)的研究人員希望通過(guò)易化模擬電路的設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程,進(jìn)一步促進(jìn)模擬技術(shù)的發(fā)展,并鼓勵(lì)工程師在產(chǎn)品中采用低功率電路。
如同F(xiàn)PGA在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域取得的非凡成就,GIT大學(xué)的研究人員相信,他們的大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬陣列(FPAA)在模擬領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
當(dāng)前版本的這些芯片不太可能適應(yīng)所有應(yīng)用,但他們可以滿足要求最嚴(yán)格的專業(yè)應(yīng)用,例如由生物組織完成的神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)處理的仿真。不管怎么說(shuō),這些芯片能使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、原型創(chuàng)建和測(cè)試更快更容易,而且不必制造新的芯片。
另外,FPAA技術(shù)可以幫助眾多不熟練的用戶嘗試使用由模擬信號(hào)處理團(tuán)隊(duì)開發(fā)的復(fù)雜低功率技術(shù),GIT大學(xué)教授Paul Hasler表示。“粗略估計(jì),全球約有3000位高級(jí)模擬工程師。”一直關(guān)注FPAA技術(shù)應(yīng)用的Hasler指出,“而相比之下,采用DSP的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師數(shù)量最保守也要超過(guò)一百萬(wàn)。”
如果FPAA能夠鼓勵(lì)這些工程師中即使是一小部分人開始使用模擬技術(shù),情況也將有很大的改觀。“目標(biāo)是將這些技術(shù)引入主流設(shè)計(jì)中。”Hasler表示,“該進(jìn)程已經(jīng)通過(guò)建立強(qiáng)大的教育基礎(chǔ)得以展開,而且已經(jīng)在普通工程師群體中發(fā)生。”
模擬信號(hào)處理不會(huì)代替數(shù)字處理,但將會(huì)成為數(shù)字處理的有效補(bǔ)充,Hasler指出。他正在重新思考混合信號(hào)處理器設(shè)計(jì)——即融合模擬與數(shù)字信號(hào)處理,以便充分發(fā)掘兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。“模擬預(yù)處理可以減輕A/D瓶頸問(wèn)題,并減輕后面的DSP運(yùn)算負(fù)擔(dān)。”Hasler介紹。
耶魯大學(xué)副教授Eugenio Culurciello認(rèn)為:“FPAA將以FPGA和數(shù)字電路類似的方式,推進(jìn)可編程模擬模塊的集成。它們有巨大的潛力來(lái)縮短小型模擬電路組配的原型建立時(shí)間,還能夠滿足大規(guī)模陣列的要求。FPAA可以為大多數(shù)模擬應(yīng)用甚至綜合儀器提供足夠的性能。”
“基恩定律”認(rèn)為,每秒上百萬(wàn)次乘法-累加運(yùn)算(MMAC)所需的功率每18個(gè)月有兩倍的改進(jìn)。但對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō),模擬信號(hào)處理的功效超出了數(shù)字信號(hào)處理3個(gè)以上的數(shù)量級(jí)。
模擬信號(hào)處理
雖然模擬電路并不適用于傳統(tǒng)的符號(hào)運(yùn)算,但在處理來(lái)自傳感器的信號(hào)方面卻具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先,它不需要模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換步驟,因此無(wú)需對(duì)哪些信息要保留、哪些信號(hào)要丟棄做出武斷決定。這對(duì)數(shù)據(jù)分辨率和時(shí)序都有好處。
另外,在采用模擬運(yùn)算后,分辨率和運(yùn)算時(shí)間的調(diào)整經(jīng)常要好很多,因?yàn)槊總€(gè)額外的“比特”都不要求其自身運(yùn)行。
對(duì)于成像陣列等組合型傳感器/處理器芯片來(lái)說(shuō),還具有并行機(jī)制和保持幾何完整性的優(yōu)點(diǎn)。在蜂窩神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備中,陣列中所有鄰近單元間的交互都是同時(shí)發(fā)生的,這意味著整個(gè)捕獲到的圖像可以用相對(duì)較少的步驟完成處理。例如,實(shí)驗(yàn)表明,在模擬域中處理拉普拉斯變換的速度最多可以比數(shù)字域快3個(gè)數(shù)量級(jí)。
20年前,當(dāng)時(shí)還在加州科技大學(xué)的Carver Mead就指出,如果電路不必工作在數(shù)字模式下,處理信號(hào)的功耗會(huì)低許多。這個(gè)見(jiàn)解源自Mead對(duì)生物神經(jīng)電路效率做的注解,這種電路的工作方式更多處于模擬而非數(shù)字域(它使用神經(jīng)實(shí)體進(jìn)行運(yùn)算,而不是某些逐步型算法)。基于生物模型開發(fā)高效電路的神經(jīng)形態(tài)工程就是基于這種想法。
“基恩定律”(名稱來(lái)自TI杰出工程師Gene Frantz,是他首次發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象)認(rèn)為,每秒上百萬(wàn)次乘法-累加運(yùn)算(MMAC)所需的功率每18個(gè)月有兩倍的改進(jìn)。數(shù)字技術(shù)雖然一直在改進(jìn),但數(shù)字和模擬之間的功效差距一直很大。對(duì)于運(yùn)算量大但功率受限的應(yīng)用而言,這個(gè)差距代表了20年的領(lǐng)先水平。
但對(duì)于幾乎最嚴(yán)格的應(yīng)用來(lái)說(shuō),模擬的優(yōu)勢(shì)被實(shí)用難度所壓制。模擬設(shè)計(jì)難度大；測(cè)試非常耗時(shí),因?yàn)樗枰圃欤恍纬傻慕鉀Q方案主要針對(duì)個(gè)別問(wèn)題,因?yàn)樗鼈內(nèi)鄙倏删幊绦浴＿@三大問(wèn)題合起來(lái)又產(chǎn)生了第4個(gè)問(wèn)題:模擬設(shè)計(jì)在各個(gè)年級(jí)的電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生中不受歡迎。
由于數(shù)字設(shè)計(jì)越來(lái)越容易,滿意度越來(lái)越高,模擬設(shè)計(jì)靠邊站也就容易理解了。這也導(dǎo)致了模擬工程師短缺,進(jìn)而連建議使用模擬解決方案的人都沒(méi)有,更不用說(shuō)被采納了。
比較容易的方法
由Hasler和其紐約州立大學(xué)工作的同事Chris Twigg合作開發(fā)的技術(shù),可能最終會(huì)解決其中的一些問(wèn)題。FPAA自身就是用浮動(dòng)?xùn)艠O晶體管器件連接的模擬單元網(wǎng)絡(luò),它允許單元間的耦合被不斷增強(qiáng)或削弱。一旦編程后,它們就不僅是無(wú)源線路,而且能主動(dòng)參與模擬運(yùn)算。相反,FPGA使用不是最優(yōu)化的互連作為必要的開銷,來(lái)提供可編程性。他們常常需要使用長(zhǎng)的傳輸線,不僅會(huì)降低性能,而且對(duì)運(yùn)算本身也沒(méi)有一點(diǎn)好處。
大約有5萬(wàn)個(gè)模擬單元的現(xiàn)有器件應(yīng)該適合“要求大量信號(hào)處理、有非常嚴(yán)格的功率預(yù)算以及需要快速開發(fā)和部署的應(yīng)用”使用,Franklin 大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)系副教授Brad Minch指出:“這些FPAA還可以為最終用戶定制或量身定做產(chǎn)品。”
Minch指出,這樣的應(yīng)用案例包括:在蜂窩電話和移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)中提供語(yǔ)音識(shí)別,在助聽裝置中實(shí)現(xiàn)方向選擇和噪聲抑制。
“這種應(yīng)用中的主要競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)是DSP和全定制特殊應(yīng)用集成電路(ASIC)。”Minch說(shuō)道,“與DSP方案相比,FPAA的主要優(yōu)勢(shì)是整個(gè)FPAA的功耗比單獨(dú)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊還要低,更不用說(shuō)整個(gè)數(shù)字電路的功耗了。”與全定制ASIC相比的主要優(yōu)勢(shì)是靈活性,以及更快的設(shè)計(jì)、開發(fā)和部署周期,Minch表示。
即使在ASIC效率更高的應(yīng)用場(chǎng)合,FPAA也具有可預(yù)測(cè)性更高的優(yōu)勢(shì)。在與系統(tǒng)部署相同的平臺(tái)上來(lái)開發(fā)應(yīng)用也一直是很大的優(yōu)勢(shì)。“FPAA能確保模型系統(tǒng)中的寄生效應(yīng)與‘仿真’有直接的可比性。”Minch指出,“而在開發(fā)ASIC的過(guò)程中,人們永遠(yuǎn)無(wú)法確保模型是否被正確調(diào)校,以及當(dāng)芯片被制造和封裝時(shí)實(shí)際寄生效應(yīng)會(huì)怎樣。”
培訓(xùn)機(jī)會(huì)
但新技術(shù)可能會(huì)對(duì)培養(yǎng)新一代非專家級(jí)模擬工程師產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。Twigg和Hasler已經(jīng)開發(fā)出一個(gè)系統(tǒng),該系統(tǒng)能讓學(xué)生在幾個(gè)星期之內(nèi)完成整個(gè)模擬設(shè)計(jì)和測(cè)試周期。受FPGA制造商使用的培訓(xùn)板和套件的啟發(fā),該系統(tǒng)集成了不同的D/A和A/D轉(zhuǎn)換器以及其它接口,以避免對(duì)通常模擬測(cè)試所需要使用的測(cè)試平臺(tái)設(shè)備的需求。電路采用開源程序XCircuit設(shè)計(jì),可以用Matlab圖形用戶接口進(jìn)行測(cè)試。Hasler將該系統(tǒng)用作他自己在GIT大學(xué)所授課程中的一部分,并用于專業(yè)工程師和其它學(xué)生的遠(yuǎn)程教育課程中。
Olin的Minch也積極參與了此事。“我計(jì)劃使用這些器件,來(lái)作為微電子方面的第一堂課和混合信號(hào)IC設(shè)計(jì)中的后續(xù)課程。”他說(shuō),“目前在微電子課程中,學(xué)生只能創(chuàng)建和表征簡(jiǎn)單的模擬單元。他們可以實(shí)際開發(fā)的最復(fù)雜電路可能包括數(shù)十個(gè)晶體管。另外,他們?cè)谠囼?yàn)板上搭建的電路的動(dòng)態(tài)性能根本無(wú)法與集成電路相比,因?yàn)榧纳鷧?shù)非常大。”
Minch指出,“FPAA可以幫助學(xué)生研究更復(fù)雜電路的行為,而不需要制作和調(diào)試巨大的試驗(yàn)板。另外,與試驗(yàn)板相比,FPAA的動(dòng)態(tài)性能也更接近集成電路。”
在今后的混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)課程中,Minch表示,“FPAA將為研發(fā)思路提供第二種仿真方式。仿真經(jīng)常無(wú)法合并,而精確的模型參數(shù)集又很難獲得。FPAA則永遠(yuǎn)不會(huì)無(wú)法合并。雖然學(xué)生可能會(huì)以不同技術(shù)制作其項(xiàng)目,但FPAA中的晶體管顯然不會(huì)產(chǎn)生非物理性行為,而有些Spice模型會(huì)的,特別是在它們的參數(shù)集沒(méi)被正確調(diào)整好的時(shí)候。”
“制造仍然是有用的,”Minch表示,“但FPAA可以在它們被提交流片前,提供一個(gè)優(yōu)秀的平臺(tái)來(lái)測(cè)試你的思路。”
耶魯大學(xué)的Culurciello也計(jì)劃在課程中使用這種新板。“它們是很好的教學(xué)工具,因?yàn)樗鼈兡茏屇悴挥貌季€就能輕松地設(shè)計(jì)出電路。”他指出。
未來(lái)挑戰(zhàn)
當(dāng)然,在這種技術(shù)取得成功之前需要解決許多問(wèn)題。Culurciello指出,問(wèn)題之一是由于走線和開關(guān)增加而增加的噪聲,會(huì)限制模擬電路的性能,并降低信噪比。他透露,Hasler已經(jīng)找到方法降低互連噪聲,但顯然無(wú)法使噪聲徹底消失。另外Culurciello還指出,為了使該技術(shù)真正發(fā)揮作用,研究人員需要能夠制造出更大的器件陣列,并優(yōu)化編程工具的速度。
Hasler顯得比較樂(lè)觀,他認(rèn)為FPAA技術(shù)將隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越成熟。“隨著工藝尺寸不斷縮小,這些可配置技術(shù)將越來(lái)越重要。隨著工藝的縮小,工具、掩膜等都會(huì)變得很昂貴,相應(yīng)的設(shè)計(jì)成本也會(huì)增加。”他說(shuō),“因此,只有盡可能多地發(fā)揮每個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)才有希望。”
由于今后的趨勢(shì)是向可編程和可配置數(shù)字芯片發(fā)展。“FPAA應(yīng)允許超低功率的模擬信號(hào)處理也能充分利用這些技術(shù)趨勢(shì)。”Hasler表示。
Sunny Bains是一位來(lái)自倫敦的科學(xué)家和新聞?dòng)浾摺?/p>
作者:Sunny Bains
