Elemento Básico de un FPGA: Celda de Configuración

    El elemento básico de un FPGA desde el punto de visto no-lógico, es decir que no tiene una función digital lógica, es la celda de configuración. Esta celda es la que va determinar la configuración de cada elemento lógico, por ejemplo si un flip-flop se va usar o no, y en caso de usarlo, si se configura como D o T. La celda de configuración también determina la configuración de los elementos de ruteo y de las interconexiones.

Existen en la actualidad cuatro tipos de celdas de configuración de un FPGA:

• Celdas SRAM, para mantener la configuración de cada parte configurable del FPGA de forma volatil.
• Una Celda llamada anti-fuse (anti-fusible), que consiste en una estructura microscópica la que, a diferencia de un fusible regular, esta normalmente abierta.
• Celdas tipo Flash, que a diferencia de las SRAM, permiten mantener la configuración aún después de desconectada la alimentación del dispositivo (No Volátil). 
• Celdas Combinadas de tipo Flash y SRAM. Las celdas Flash se usan para mantener los datos de configuración del FPGA y las SRAM para la configuración lógica del FPGA. 

FPGAs basados en celdas SRAM

Figura 1. Celda básica SRAM de configuración de los FPGAs de Xilinx

    La celda de configuración tipo SRAM se usa para mantener la configuración de cada parte configurable del FPGA. La gran ventaja de los FPGA basados en celdas SRAM es que utilizan un proceso de fabricación estándar. La ‘fabrica’ de FPGA-SRAM tiene un procedimiento de fabricación muy conocido, que es el usado en la fabricación de memorias SRAM, lo que debido a la enorme cantidad de memorias SRAM que se producen para el mercado digital, permite lograr costos de producción muy bajos, muy alta performance y trabajar con un proceso de fabricación muy amortizado y de gran rendimiento (yield).

     Como es sabido las celdas de memoria tipo SRAM pueden ser reprogramadas un sinnúmero de veces, del mismo modo un FPGA basado en celdas de configuración SRAM puede ser reprogramado un infinito número de veces, aún cuando el FPGAs ya esté montado y soldado en un circuito impreso (PCB). Esta reprogramación en PCB se denomina Programable En Circuito (In-Circuit Programmable, ISP). Esta tecnología SRAM es muy útil también para llevar a cabo una actualización rápida del sistema digital dentro del FPGA. Por ejemplo, algunos sintonizadores de televisión satelital usan FPGAs en su sistema para sus diversas funciones. Cuando por alguno motivo se necesita actualizar el sistema dentro del FPGA, se envía por satélite un nuevo archivo de configuración. La lógica del sintonizador, que interpreta el comando de actualización, procede a actualizar el archivo de configuración del FPGA (auto-actualización), evitando de este modo tener que cambiar el sintonizador. 

     La gran desventaja de las celdas SRAM es que son volátiles, lo que significa que aún un simple pulso espúreo (glitch) en la tensión de alimentación borraría la configuración del FPGA, quedando prácticamente sin ninguna funcionalidad hasta que se lo configure de nuevo. Otra desventaja es que, debido a que la selección del camino de conexión entre los diferentes bloques lógicos (llamado ruteo), se basa en celdas SRAM, se provocan grandes retardos de ruteo, lo que es un problema en diseños que requieren un rendimiento muy alto. Una desventaja más de estos dispositivos es que, en el producto final, una vez que el FPGA está en el PCB y listo para ser comercializado, necesita de una memoria externa pequeña (tipo Flash, serie o paralela) que mantiene el archivo de configuración del FPGA. El FPGA tiene una pequeña MEF que, cuando se le da tensión de alimentación, le indica al FPGA que tiene que ir a buscar la configuración del mismo a una memoria externa. Luego lee la información de la memoria y configura las celdas SRAM. Para algunas aplicaciones, como sistemas médicos de emergencia, este tiempo de lectura de la memoria y configuración es muy largo (50 ~ 500ms). Para otras aplicaciones, como interfaces series, este tiempo pasa desapercibido. 

FPGAs basados en celdas Anti-Fuse 

Figura 2. Vista microscópica del anti-fuse de Actel

   Otro tipo de FPGA usa una celda llamada anti-fuse (anti-fusible) como celda básica de configuración. Esta celda consiste en una estructura microscópica que, a diferencia de un fusible regular, está normalmente abierta. Está compuesta de tres capas, las conductoras arriba y abajo, y la aisladora en el medio (Metal-Insulator-Metal, MIM). Para configurar el dispositivo se hace circular una cierta cantidad de corriente (~5mA), lo que causa una gran potencia de disipación en un área muy pequeña, provocando el derretimiento del aislante dieléctrico (tipo Oxide-Nitride-Oxide, ONO) entre los dos electrodos conductores (SiO2, Dióxido de Silicio) formando una unión permanente muy fina de unos 20nm. La estructura anti-fuse fue creada y se usa habitualmente en ciertas familias de los FPGAs de la empresa ACTEL. Esta estructura es conocida como Programmable Logic Interconnect Circuit Element (PLICE). 

    La principal ventaja de los FPGA-Anti-Fuse es que no son volátiles, lo que para algunas aplicaciones es sumamente crítico, por ejemplo aplicaciones espaciales y aplicaciones médicas. También, debido a esta tecnología, los retardos de conexión entra los bloques lógicos son muy reducidos, por lo que el rendimiento de estos dispositivos es bastante elevado.

     Como desventajas se tienen: primero, que requieren un proceso de fabricación específico, bastante complejo, lo que lleva a que el costo de los mismos sea bastante elevado comparado con los FPGA-SRAM (como mínimo 200 veces más caros). También requieren un programador especial para poder programar el anti-fusible, y la mayor desventaja es que una vez que se han configurado con cierta lógica, ésta no se puede cambiar, lo que es conocido técnicamente como One Time Programmable (OTP). El hecho de que estos FPGAs sean OTP crea un proceso de verificación muy meticuloso de la lógica a ser programada, a fin de no tener que descartar este dispositivo tan caro por errores de diseño.

     Una de las principales aplicaciones de este tipo de FPGA es para sistemas espaciales, ya que estos FPGAs son tolerantes a las radiaciones de partículas de alta energía (los bits de configuración no pueden cambiar si son golpeados por una partícula). Como para tener una idea, un FPGA anti-fusible de término medio cuesta cerca de U$S2.000, mientras que uno de similares características tipo SRAM puede rondar los U$S 100. La diferencia de costos es abrumadora, claro que sí, está en juego la estabilidad, seguridad y confiabilidad de un satélite que puesto en órbita cuesta cerca de U$S270.000.000. No hay muchas opciones para elegir la tecnología a usar.

FPGAs basados en celdas FLASH

Figura 3. ACTEL Flash switch

    Los FPGA-Flash, tienen como ventaja lo mejor del FPGA-SRAM y del FGPA-Anti-Fuse, son reprogramables y no son volátiles. Sin embargo todavía son caros, ya que usan una tecnología más cara que la SRAM, y las celdas FLASH se usan no solo para guardar la configuración en si del FPGA, sino que también para todo lo que es ruteo, lo que hace que la cantidad de celdas FLASH por FPGA sea un gran número. Los procesos de fabricación de celdas FLASH recién ahora son más comunes. Actualmente en el mercado están apareciendo más opciones de estos dispositivos, sobre todo en los tamaños de FPGAs medianos-chicos, pero como la competencia es muy grande y a veces centavos marcan la diferencia, la demanda todavía no es considerable. Otra desventaja para los FPGAs FLASH es que el proceso de reconfiguración toma varios segundos.

     La Figura 3 detalla la estructura de una celda FLASH de la empresa ACTEL, que le llama FLASH Switch. Usa dos transistores que comparten la compuerta flotante, la que almacena la información de configuración. Uno es el transistor de sensado, el cual sólo se usa para escribir y verificar la tensión de compuerta flotante. El otro es el transistor de conexión (switching). Esta celda puede ser usada en el FPGA para conectar/separar rutas de conexiones o para configurar la lógica.

FPGAs basados en celdas Flash y SRAM 

    Finalmente hay algunos FPGAs que tienen celdas Flash y SRAM en el mismo dispositivo. Las celdas Flash se utilizan para guardar los datos de configuración del FPGA, mientras que las celdas SRAM para la configuración de la lógica del FPGA. Cuando se da tensión de alimentación, las celdas SRAM se configuran en forma casi instantánea desde la Flash, resultando una configuración del FPGA en menos de 1ms, a diferencia de un FPGA-SRAM cuyo tiempo de configuración típicamente va de los 50 hasta los 500 ms (dependiendo del tamaño del dispositivo). Esta disponibilidad casi instantánea del FPGA lo hace muy útil para aplicaciones críticas en tiempo. Estos FPGAs también permiten configurar solo las celdas SRAM, por ejemplo, durante el proceso de construcción del prototipo, sin tener que programar la Flash.

     Una gran ventaja, y que a veces es decisiva para el diseñador al elegir entre este tipo de FPGA o las FPGA-FLASH, es que, al no tener que acceder a un chip de memoria Flash externo, no hay una conexión física entre el FPGA y la memoria Flash que permita que la configuración del FPGA pueda ser expuesta, y de este modo vulnerada, para una posterior re-ingeniería (o ingeniería inversa) sobre el producto final. Se han descubierto muchos casos de productos copiados a través de la lectura de los datos de configuración (bitstream) disponibles en las rutas del circuito impreso que hay entre el FPGA y la memoria FLASH (éste problema también está presente en las FPGAs-SRAM). Por supuesto que estos dispositivos son un poco más caros que los FPGA-SRAM, pero más baratos que los FPGA-FLASH, ya que en este caso las celdas FLASH solo se usan para guardar la configuración, por lo que la cantidad de estas celdas es mucho menor que en el caso de FPGA FLASH. 

Ejemplos y Comparación 

Ejemplos de FPGA-SRAM: 

Xilinx Spartan/Virtex
Altera Cyclon/Stratix
Lattice EP/SC

Ejemplos de FPGA-Flash 

Actel Fusion/Igloo (ultra low power)

Ejemplos de FPGA-FLASH-SRAM 

Lattice XP family
Xilinx Spartan 3AN

Ejemplos de FPGA-Anti-Fuse 

Actel Sx/Mx QuicLogic pASIC

La Tabla 1 presenta una comparación entre las distintas tecnologías y las principales características de un FPGA.