如同F(xiàn)PGA在數(shù)字信號處理" title="數(shù)字信號處理">數(shù)字信號處理領(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?

　　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)信號處理的仿真。不管怎么說,，這些芯片能使系統(tǒng)的設(shè)計,、原型創(chuàng)建和測試更快更容易，而且不必制造新的芯片,。

　　另外,，F(xiàn)PAA技術(shù)可以幫助眾多不熟練的用戶嘗試使用由模擬信號處理" title="模擬信號處理">模擬信號處理團(tuán)隊開發(fā)的復(fù)雜低功率技術(shù)，GIT大學(xué)教授Paul Hasler表示,?！按致怨烙嫞蚣s有3000位高級模擬工程師?！币恢标P(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)計師數(shù)量最保守也要超過一百萬,?！?

　　如果FPAA能夠鼓勵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,?！澳繕?biāo)是將這些技術(shù)引入主流設(shè)計中?！盚asler表示,，“該進(jìn)程已經(jīng)通過建立強大的教育基礎(chǔ)得以展開，而且已經(jīng)在普通工程師群體中發(fā)生,?！?

　　模擬信號處理不會代替數(shù)字處理，但將會成為數(shù)字處理的有效補充,，Hasler指出,。他正在重新思考混合信號處理器設(shè)計——即融合模擬與數(shù)字信號處理，以便充分發(fā)掘兩種技術(shù)的優(yōu)勢,?！澳M預(yù)處理可以減輕A/D瓶頸問題，并減輕后面的DSP運算負(fù)擔(dān),?！盚asler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縮短小型模擬電路組配的原型建立時間，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,，每秒上百萬次乘法-累加運算(MMAC)所需的功率每18個月有兩倍的改進(jìn),。但對于某些應(yīng)用來說，模擬信號處理的功效超出了數(shù)字信號處理3個以上的數(shù)量級,。

　　模擬信號處理

　　雖然模擬電路并不適用于傳統(tǒng)的符號運算,，但在處理來自傳感器的信號方面卻具有很多優(yōu)點。首先,，它不需要模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換步驟,，因此無需對哪些信息要保留,、哪些信號要丟棄做出武斷決定。這對數(shù)據(jù)分辨率和時序都有好處,。

　　另外,，在采用模擬運算后,，分辨率和運算時間的調(diào)整經(jīng)常要好很多,，因為每個額外的“比特”都不要求其自身運行。

　　對于成像陣列等組合型傳感器/處理器芯片來說,，還具有并行機制和保持幾何完整性的優(yōu)點,。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發(fā)生的,，這意味著整個捕獲到的圖像可以用相對較少的步驟完成處理,。例如，實驗表明,，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個數(shù)量級,。

　　20年前，當(dāng)時還在加州科技大學(xué)的Carver Mead就指出,，如果電路不必工作在數(shù)字模式下,，處理信號的功耗會低許多。這個見解源自Mead對生物神經(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)實體進(jìn)行運算,，而不是某些逐步型算法)?；谏锬Ｐ烷_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”(名稱來自TI杰出工程師Gene Frantz，是他首次發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象)認(rèn)為,，每秒上百萬次乘法-累加運算(MMAC)所需的功率每18個月有兩倍的改進(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,。對于運算量大但功率受限的應(yīng)用而言,，這個差距代表了20年的領(lǐng)先水平。

　　但對于幾乎最嚴(yán)格的應(yīng)用來說,，模擬的優(yōu)勢被實用難度所壓制,。模擬設(shè)計" title="模擬設(shè)計">模擬設(shè)計難度大；測試非常耗時,，因為它需要制造,；形成的解決方案主要針對個別問題，因為它們?nèi)鄙倏删幊绦?。這三大問題合起來又產(chǎn)生了第4個問題：模擬設(shè)計在各個年級的電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生中不受歡迎,。

　　由于數(shù)字設(shè)計越來越容易，滿意度越來越高，模擬設(shè)計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有，更不用說被采納了,。

　　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),，可能最終會解決其中的一些問題。FPAA自身就是用浮動?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或削弱,。一旦編程后，它們就不僅是無源線路,，而且能主動參與模擬運算,。相反，F(xiàn)PGA使用不是最優(yōu)化的互連作為必要的開銷,，來提供可編程性,。他們常常需要使用長的傳輸線，不僅會降低性能,，而且對運算本身也沒有一點好處,。

　　大約有5萬個模擬單元的現(xiàn)有器件應(yīng)該適合“要求大量信號處理、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,，F(xiàn)ranklin W.Olin大學(xué)電子與計算機技術(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：在蜂窩電話和移動計算平臺中提供語音識別,，在助聽裝置中實現(xiàn)方向選擇和噪聲抑制。

　　“這種應(yīng)用中的主要競爭性技術(shù)是DSP和全定制特殊應(yīng)用集成電路(ASIC),?！盡inch說道，“與DSP方案相比,，F(xiàn)PAA的主要優(yōu)勢是整個FPAA的功耗比單獨一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊還要低,，更不用說整個數(shù)字電路的功耗了?！迸c全定制ASIC相比的主要優(yōu)勢是靈活性,，以及更快的設(shè)計、開發(fā)和部署周期,，Minch表示,。

　　即使在ASIC效率更高的應(yīng)用場合，F(xiàn)PAA也具有可預(yù)測性更高的優(yōu)勢,。在與系統(tǒng)部署相同的平臺上來開發(fā)應(yīng)用也一直是很大的優(yōu)勢,?！癋PAA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?！盡inch指出,，“而在開發(fā)ASIC的過程中，人們永遠(yuǎn)無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實際寄生效應(yīng)會怎樣,。”

　　培訓(xùn)機會

　　但新技術(shù)可能會對培養(yǎng)新一代非專家級模擬工程師產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,。Twigg和Hasler已經(jīng)開發(fā)出一個系統(tǒng),，該系統(tǒng)能讓學(xué)生在幾個星期之內(nèi)完成整個模擬設(shè)計和測試周期,。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，以避免對通常模擬測試所需要使用的測試平臺設(shè)備的需求,。電路采用開源程序XCircuit設(shè)計,，可以用Matlab圖形用戶接口進(jìn)行測試。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?！拔矣媱澥褂眠@些器件,，來作為微電子方面的第一堂課和混合信號IC設(shè)計中的后續(xù)課程?！彼f,，“目前在微電子課程中，學(xué)生只能創(chuàng)建和表征簡單的模擬單元,。他們可以實際開發(fā)的最復(fù)雜電路可能包括數(shù)十個晶體管,。另外，他們在試驗板上搭建的電路的動態(tài)性能根本無法與集成電路相比,，因為寄生參數(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)試巨大的試驗板。另外,，與試驗板相比,，F(xiàn)PAA的動態(tài)性能也更接近集成電路?！?

　　在今后的混合信號芯片設(shè)計課程中,，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)不會無法合并。雖然學(xué)生可能會以不同技術(shù)制作其項目,，但FPAA中的晶體管顯然不會產(chǎn)生非物理性行為,，而有些Spice模型會的，特別是在它們的參數(shù)集沒被正確調(diào)整好的時候,?！?

　　“制造仍然是有用的，”Minch表示,，“但FPAA可以在它們被提交流片前,，提供一個優(yōu)秀的平臺來測試你的思路?！?

　　耶魯大學(xué)的Culurciello也計劃在課程中使用這種新板,。“它們是很好的教學(xué)工具,，因為它們能讓你不用布線就能輕松地設(shè)計出電路,。”他指出,。

　　未來挑戰(zhàn)

　　當(dāng)然,，在這種技術(shù)取得成功之前需要解決許多問題。Culurciello指出,，問題之一是由于走線和開關(guān)增加而增加的噪聲,，會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顯得比較樂觀，他認(rèn)為FPAA技術(shù)將隨著時間的推移變得越來越成熟,?！半S著工藝尺寸不斷縮小，這些可配置技術(shù)將越來越重要,。隨著工藝的縮小,，工具,、掩膜等都會變得很昂貴，相應(yīng)的設(shè)計成本也會增加,?！彼f，“因此,，只有盡可能多地發(fā)揮每個設(shè)計的優(yōu)勢才有希望,。”

　　由于今后的趨勢是向可編程和可配置數(shù)字芯片發(fā)展,?！癋PAA應(yīng)允許超低功率的模擬信號處理也能充分利用這些技術(shù)趨勢?！盚asler表示,。