Reprogramerbare brikker: Revolusjonen bak moderne elektronikk

En revolusjonerende oppfinnelse hedres i Silicon Valley

Feltprogrammerbare portnettverk (FPGA) er en type databrikke der de interne kretsene kan omprogrammeres etter produksjon. Denne teknologien er avgjørende for mange av dagens avanserte elektroniske systemer, inkludert internettroutere, trådløse basestasjoner, medisinske bildesystemer og visse AI-verktøy.

12. mars ble en IEEE Milestone-plakett, som hedrer den første FPGA-brikken, avduket på AMDs campus i San Jose, California. Plassen var tidligere hovedkvarteret til Xilinx, selskapet bak oppfinnelsen. Ceremonien ble arrangert av IEEE Santa Clara Valley-avdelingen og samlet eksperter fra halvlederindustrien og IEEE-ledelse.

Hvorfor FPGA endret spillereglene

FPGA fikk Milestone-status fordi den innførte iterasjon i halvlederdesign. Ingeniører kunne nå redesigne hardware uten å produsere nye brikker, noe som reduserte utviklingsrisikoen betydelig og muliggjorde raskere innovasjon i en tid da halvlederkostnadene steg raskt.

Blant talerne var Stephen Trimberger, IEEE- og ACM-fellow, som har bidratt til moderne FPGA-arkitektur. Han understreket hvordan oppfinnelsen gjorde det mulig å programmere hardware som om det var software.

Løsningen på fleksibilitet vs. ytelse

FPGAer ble utviklet på 1980-tallet for å løse et grunnleggende problem i databehandling. Mikroprosessorer utfører instruksjoner sekvensielt, noe som gir fleksibilitet men kan være for tregt for oppgaver som krever mange parallelle operasjoner. På den andre siden finner vi applikasjonsspesifikke integrerte kretser (ASIC), som er designet for én spesifikk oppgave. ASICer leverer topp ytelse, men utviklingsprosessen er lang og kostbar. Prosessen inkluderer design, produksjonsforberedelser, og oppsett av maskiner for å håndtere de mikroskopiske kretsene.

«ASICer kan levere den beste ytelsen, men utviklingssyklusen er lang og de ikke-gjentagende ingeniørkostnadene kan bli svært høye,» sier Jason Cong, IEEE-fellow og professor i informatikk ved University of California, Los Angeles. «FPGAer tilbyr en gyllen middelvei mellom prosessorer og tilpasset silisium.»

Cong har vært sentral i utviklingen av automatiserte designverktøy for FPGAer og høy-nivå syntese. Han har blant annet utviklet verktøy som oversetter C/C++-kode til hardware-design. Bak dette arbeidet ligger et prinsipp først formulert av ingeniør Ross Freeman: Ved å konfigurere hardware ved hjelp av programmerbart minne innebygd i brikken, kombinerer FPGAer hardware-hastighet med den tilpasningsdyktigheten som tradisjonelt er forbundet med software.

Fødselen av en ny æra i Silicon Valley

FPGA-arkitekturen ble utviklet midt på 1980-tallet hos Xilinx, et selskap grunnlagt i 1984. Oppfinnelsen tilskrives ofte Ross Freeman, medgründer og teknologidirektør i Xilinx. Han forestilte seg en brikke der kretsene kunne konfigureres etter produksjon, i stedet for å være fastlåst under fremstillingen.

Historiske artikler om FPGA fremhever at Freeman så dette som en bevisst brudd med konvensjonell chip-design. På den tiden ble transistorer behandlet som en knapp ressurs, og tilpassede brikker ble nøye optimalisert slik at nesten hver transistor hadde en bestemt funksjon.

Freeman forutså imidlertid at Moores lov ville endre chip-økonomien. Loven slår fast at antallet transistorer på en brikke omtrent dobles hvert annet år, noe som gjør databehandling billigere og kraftigere. Freeman mente at når transistorer ble mer tilgjengelige, ville det være mulig å bruke dem på en mer fleksibel måte.

«FPGAer representerer et paradigmeskifte. De gjorde det mulig å endre hardware på samme måte som vi endrer software – uten å måtte produsere nye brikker.»
Ross Freeman, oppfinner av den første FPGA

Arven etter Freeman

Freemans visjon har hatt varig innvirkning på teknologiindustrien. I dag brukes FPGAer innen alt fra romfart til bilindustri, og de spiller en avgjørende rolle i utviklingen av 5G-nettverk og kunstig intelligens. Oppfinnelsen har også inspirert nye tilnærminger til hardware-design, der fleksibilitet og ytelse kan balanseres på en måte som tidligere var utenkelig.