Flexible Hardware dank FPGA-Technologie - Juventus Technikerschule HF

Flexible Hardware dank FPGA-Technologie

Der Wunsch nach universell einsetzbaren elektronischen Schaltungen oder Schaltkreisen, welche ohne mechanische Eingriffe angepasst werden können, ist so alt wie die elektronischen Schaltungen selbst. So verwundert es nicht, dass die beiden Ingenieure David Westminster Page und Luverne R. Peterson bereits 1985 das Konzept für einen Halbleiterchip patentieren liessen, bei dem die Schaltlogik über wiederprogrammierbare Speicherelemente gesteuert werden konnte. Das war sozusagen die Urform eines PLD (Programmable Logic Device).

Die Zeit arbeitet für die FPGA-Technologie
Wie so oft bei grossen Erfindungen war es dann ein anderer, der daraus Kapital zu schlagen versuchte. Ross Freeman, ein US-amerikanischer Physiker, entwickelte 1985 in der eigens dafür gegründeten Firma Xilinx den ersten FPGA-Chip (Field Programmable Gate Array), den XC2064, mit 64 konfigurierbaren logischen Blöcken, sogenannten Configurable Logical Blocks (CLB).
Derselbe Ross Freeman war gleichzeitig bei der Firma Zilog massgeblich an der Entwicklung von schnellen und leistungsfähigen Mikroprozessoren beteiligt. Da diese Technologie damals als zukunftsfähiger galt, geriet die Weiterentwicklung der FPGA-Technologie in Vergessenheit.
Erst nach der Jahrtausendwende, als die Taktfrequenzen der Prozessoren in den Gigahertzbereich und dadurch die Durchlaufzeiten der Befehlszyklen in den Nanosekundenbereich vorzustossen begannen, erlebte die FPGA-Technologie ihre Wiedergeburt. Hat ein Prozessor eine Taktrate von zwei Gigahertz, werden die einzelnen Zyklen so schnell, dass selbst die Lichtgeschwindigkeit zur greifbaren Grösse wird. Ein Signal schafft während dieser Zeit lediglich eine Wegstrecke von 15 cm. Ein herkömmlicher Schaltungsaufbau führte somit unvermeidlich zu grossen Verzögerungen und der schnelle Prozessor müsste zur Hauptsache auf die eigentliche Verarbeitung der Signale warten.

Aus einem Baustein entstehen beliebige Schaltungen
So war es letztlich nicht die Anpassungsfähigkeit von elektronischen Schaltungen, welche in den vergangenen Jahren der FPGA-Technologie zum Durchbruch verhalf, sondern vielmehr die dank der hohen Integrationsdichte ebenfalls im Nanobereich liegenden Verbindungswege zwischen den konfigurierbaren Logikblöcken eines FPGA-Bausteins. Diese Logikblöcke bestehen meist aus einer LUT (Lookup-Tabelle) mit vier oder sechs Eingängen, in der für jede Kombination der Eingänge ein bestimmter Ausgangswert gespeichert wird, einem 1Bit Register (Flipflop) zur Synchronisierung der Werte der LUT und einer nachfolgenden UND-Verknüpfung. Über einen Verbindungsplan (Schaltmatrix) können diese Logikblöcke beliebig miteinander gekoppelt werden. Der Verbindungsplan und die Inhalte der LUT werden aber erst bei Inbetriebnahme des FPGA-Bausteins als Software in Form von VHDL-Befehlen auf den Chip geladen. Auf diese Weise kann aus ein und demselben Baustein fast jede beliebige elektronische Schaltung entstehen, bis hin zu kompletten 64-bit Prozessor-Architekturen mit Ein- und Ausgabegeräten.
Die eigentliche Hardwareentwicklung beschränkt sich also mehr und mehr darauf, standardisierte, dank FPGA universell einsetzbare Module in grossen Stückzahlen und dementsprechend günstig zu produzieren. Alles Weitere wird später bequem via Software-Download hinzugefügt und nicht selten sogar angepasst, während das elektronische Modul in Betrieb ist. Weil ein bedeutender Teil dieser neuen Art der Hardwareentwicklung rein softwaremässig durchgeführt wird, ist sie fast vollständig unabhängig von den heutigen Entwicklungsstandorten für Massenprodukte in Fernost und kann überall auf der Welt durchgeführt werden. Die reine Hardwareentwicklung wird sich in Zukunft mehr und mehr auf standardisierte FPGA-Module beschränken, welche dann in verschiedensten Geräten auch in Mittel- oder Kleinserien zum Einsatz kommen. So können beispielsweise Europa und Nordamerika inskünftig in der Entwicklung von elektronischen Massenprodukten zusehends an Bedeutung gewinnen.

Ein bedeutender Wandel mit grossen Chancen
Vor diesem sich abzeichnenden Wandel und den enormen Vorteilen des Einsatzes von FPGA-Modulen dürfen vor allem Ausbildungsstätten die Augen nicht verschliessen. Deshalb hat die Technikerschule HF Zürich bereits vor zwei Jahren beschlossen, die Schaltungsentwicklung mit FPGA als festen Bestandteil in die Ausbildung zum Elektroniker HF zu integrieren. So schlagen wir gleich zwei Fliegen auf einen Streich: Mit diesem Angebot vermitteln wir unseren Studierenden relevante Inhalte am Puls der Zeit und können trotz der an sich knapp bemessenen Zeit für praktische Anwendungen umfangreichere und komplexere Arbeiten realisieren.