تعتبر شريحة FPGA علامة بارزة في IEEE

تعتمد العديد من الأنظمة الإلكترونية الأكثر تقدمًا في العالم – بما في ذلك أجهزة توجيه الإنترنت ومحطات القاعدة اللاسلكية وماسحات التصوير الطبي وبعض أدوات الذكاء الاصطناعي – على مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا. رقائق الكمبيوتر ذات دوائر الأجهزة الداخلية، يمكن إعادة تكوين FPGAs بعد التصنيع.

في 12 مارس، تم تخصيص لوحة IEEE Milestone تكريمًا لأول FPGA في حرم Advanced Micro Devices في سان خوسيه، كاليفورنيا، المقر الرئيسي السابق لشركة Xilinx ومسقط رأس التكنولوجيا.

حصل FPGA على لقب Milestone لأنه قدم التكرار لتصميم أشباه الموصلات. ويستطيع المهندسون إعادة تصميم الأجهزة بشكل متكرر دون تصنيع شريحة جديدة، مما يقلل بشكل كبير من مخاطر التطوير ويتيح الابتكار بشكل أسرع في وقت حيث كانت تكاليف أشباه الموصلات ترتفع بسرعة.

وقد جمع الحفل، الذي نظمه قسم IEEE Santa Clara Valley، متخصصين من جميع أنحاء صناعة أشباه الموصلات وقيادة IEEE. وكان من بين المتحدثين في هذا الحدث ستيفن تريمبرجر، زميل IEEE وACM الذي ساعدت مساهماته الفنية في تشكيل بنية FPGA الحديثة. فكر تريمبرجر في كيفية تمكين الاختراع للأجهزة القابلة للبرمجة.

حل مقايضة أداء المرونة في الحوسبة

ظهرت FPGAs في الثمانينات لمعالجة القيود الأساسية في الحوسبة. يقوم المعالج الدقيق بتنفيذ تعليمات البرنامج بشكل تسلسلي، مما يجعله مرنًا ولكنه في بعض الأحيان بطيء جدًا بالنسبة لأحمال العمل التي تتطلب العديد من العمليات في وقت واحد.

وعلى الجانب الآخر، فإن الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات عبارة عن شرائح مصممة للقيام بمهمة واحدة فقط. تحقق ASICs كفاءة عالية ولكنها تتطلب دورات تطوير طويلة وتكاليف هندسية غير متكررة، وهي استثمارات كبيرة ومقدمة. تشمل النفقات تصميم الشريحة وإعدادها للتصنيع، وهي عملية تتضمن إنشاء مخططات تفصيلية، وبناء أقنعة لآلات التصنيع، وإنشاء خطوط إنتاج للتعامل مع الدوائر الصغيرة.

يقول جيسون كونغ، زميل IEEE وأستاذ علوم الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس: “يمكن لـ ASICs تقديم أفضل أداء، لكن دورة التطوير طويلة ويمكن أن تكون التكلفة الهندسية غير المتكررة مرتفعة للغاية”. “توفر FPGAs مكانًا رائعًا بين المعالجات والسيليكون المخصص.”

عمل كونغ التأسيسي في أتمتة تصميم FPGA والتوليف عالي المستوى على تغيير كيفية برمجة الأنظمة القابلة لإعادة التشكيل. قام بتطوير أدوات التوليف التي تترجم C/C++ إلى تصميمات الأجهزة، على سبيل المثال.

يوجد في قلب عمله مبدأ أساسي تبناه لأول مرة المهندس الكهربائي روس فريمان: من خلال تكوين الأجهزة باستخدام ذاكرة قابلة للبرمجة مدمجة داخل الشريحة، تجمع FPGAs بين السرعة على مستوى الأجهزة والقدرة على التكيف المرتبطة تقليديًا بالبرمجيات.

نشأت بنية FPGA في منتصف الثمانينات في شركة Xilinx، وهي شركة في وادي السيليكون تأسست عام 1984. ويُنسب هذا الاختراع على نطاق واسع إلى فريمان، أحد مؤسسي Xilinx والمدير التنفيذي للتكنولوجيا في الشركة الناشئة. لقد تصور شريحة ذات دوائر يمكن تكوينها بعد التصنيع بدلاً من تثبيتها بشكل دائم أثناء الإنشاء.

تؤكد المقالات حول تاريخ FPGA أنه اعتبرها بمثابة خروج متعمد عن تصميم الرقائق التقليدي.

في ذلك الوقت، كان مهندسو أشباه الموصلات يعاملون الترانزستورات على أنها موارد نادرة. تم تحسين الرقائق المخصصة بعناية بحيث يخدم كل ترانزستور تقريبًا غرضًا محددًا.

اقترح فريمان نهجا مختلفا. لقد اعتقد أن قانون مور سيغير اقتصاديات الرقائق قريبًا. ينص المبدأ على أن عدد الترانزستورات يتضاعف تقريبًا كل عامين، مما يجعل الحوسبة أرخص وأكثر قوة. افترض فريمان أنه مع توافر الترانزستورات، فإن المرونة ستكون أكثر أهمية من الكفاءة المثالية.

لقد تصور جهازًا يتكون من كتل منطقية قابلة للبرمجة ومتصلة من خلال توجيه قابل للتكوين – شريحة مليئة بما وصفه بـ “البوابات المفتوحة”، جاهزة للتعريف من قبل المستخدمين بعد التصنيع. وبدلاً من تثبيت الأجهزة في السيليكون بشكل دائم، يمكن للمهندسين تكوين الدوائر وإعادة تشكيلها مع تطور المتطلبات.

في بعض الأحيان، قارن فريمان هذا المفهوم بشريط كاسيت فارغ: يقوم المصنعون بتزويد الوسيط، بينما يحدد المهندسون وظيفته. وقد أظهر هذا التشبيه تحولًا عميقًا في من يتحكم في التكنولوجيا، مما أدى إلى تحويل مرونة تصميم الأجهزة من مرافق تصنيع الرقائق إلى مصممي النظام أنفسهم.

في عام 1985 قدمت Xilinx أول FPGA للبيع التجاري: XC2064. يحتوي الجهاز على 64 كتلة منطقية قابلة للتكوين – دوائر رقمية صغيرة قادرة على أداء العمليات المنطقية – مرتبة في شبكة 8 × 8. أتاحت قنوات التوجيه القابلة للبرمجة للمهندسين تحديد كيفية انتقال الإشارات بين الكتل، وتوصيل دائرة مخصصة بالبرمجيات بشكل فعال.

تم تصنيعها باستخدام عملية تبلغ 2 ميكرومتر (بمعنى أن 2 ميكرومتر كان الحد الأدنى لحجم الميزات التي يمكن نقشها على السيليكون باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية)، وقد نفذت XC2064 بضعة آلاف من البوابات المنطقية. يمكن أن تحتوي FPGAs الحديثة على مئات الملايين من البوابات، مما يتيح تصميمات أكثر تعقيدًا إلى حد كبير. ومع ذلك، أنشأت XC2064 سير عمل تصميمي لا يزال مستخدمًا حتى اليوم: يصف المهندسون سلوك الأجهزة رقميًا ثم “يجمعون التصميم”، وهي عملية تترجم الخطط تلقائيًا إلى تعليمات تحتاجها FPGA لتعيين الكتل المنطقية والأسلاك الخاصة بها، وفقًا لشركة AMD. ثم يقوم المهندسون بتحميل هذا التكوين على الشريحة.

الاختراق: الأجهزة التي تحددها الذاكرة

يقول كونغ إن الأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة السابقة، مثل ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة، أو EPROM، سمحت بتخصيص محدود ولكنها اعتمدت إلى حد كبير على هياكل الأسلاك الثابتة التي لم تتوسع بشكل جيد مع زيادة تعقيد الدوائر.

قدمت FPGAs وصلات بينية قابلة للبرمجة، وهي شبكات من المفاتيح الإلكترونية التي تتحكم فيها خلايا الذاكرة الموزعة عبر الشريحة. عند تشغيله، يقوم الجهاز بتحميل ملف تكوين تدفق البت الذي يحدد كيفية تصرف دوائره الداخلية.

يقول كونغ: “مع تحسن تكنولوجيا المعالجة وزيادة عدد الترانزستورات، أصبحت تكلفة البرمجة أقل أهمية بكثير”.

من “منطق الغراء” إلى البنية التحتية الأساسية

يقول كونغ: “في البداية، تم استخدام FPGAs كما أطلق عليه المهندسون منطق الغراء”.

منطق الغراء يشير إلى الدوائر البسيطة التي تربط المعالجات والذاكرة والأجهزة الطرفية حتى يعمل النظام بشكل موثوق، وفقًا لما ذكره موقع “the verge”. مجلة الكمبيوتر. وبعبارة أخرى، فإنه “يلصق” المكونات المختلفة معًا، خاصة عندما تتغير الواجهات بشكل متكرر.

أدرك المتبنون الأوائل ميزة الأجهزة التي يمكن أن تتكيف مع تطور المعايير. في “تاريخ وحالة ومستقبل FPGAs” المنشور في اتصالات ACMقال المهندسون في Xilinx ومنظمات مثل Bell Labs وFairchild Semiconductor وIBM وSun Microsystems إن الاستخدامات الأولى لـ FPGAs كانت في وضع النماذج الأولية لـ ASICs. كما استخدموها أيضًا للتحقق من صحة الأنظمة المعقدة عن طريق تشغيل برامجهم قبل التصنيع، مما يسمح للشركات بنشر منتجات متخصصة يتم تصنيعها بكميات متواضعة.

كشفت هذه الاستخدامات عن تحول أوسع: لم تعد هناك حاجة إلى أن تظل الأجهزة ثابتة بمجرد نشرها.

كان من بين الحاضرين في حفل تكريس لوحة Milestone (جالسين من اليسار إلى اليمين) رئيسة IEEE لعام 2025 كاثلين كرامر، ورئيس IEEE لعام 2024 توم كوغلين، ورئيس قسم المعالم البارزة في وادي سانتا كلارا بريان بيرج.دوغلاس بيك / أيه إم دي

غيرت اقتصاديات أشباه الموصلات المعادلة

يقول كونغ إن ظهور FPGAs جاء في أعقاب التغيرات في اقتصاديات أشباه الموصلات.

يتطلب تطوير شريحة مخصصة استثمارًا كبيرًا مقدمًا قبل بدء الإنتاج. مع زيادة تكاليف التصنيع، كان لا بد من شحن المنتجات بكميات كبيرة لجعل تطوير ASIC قابلاً للتطبيق اقتصاديًا، وفقًا لمنشور نشرته AnySilicon.

سمحت FPGAs للمصممين بالمضي قدمًا دون هذا الالتزام النقدي الأكبر.

يقول كونغ إن تطوير ASIC يتطلب عادةً ما بين 18 إلى 24 شهرًا من الحمل إلى السيليكون، بينما يمكن إكمال تطبيقات FPGA غالبًا في غضون ثلاثة إلى ستة أشهر باستخدام أدوات التصميم الحديثة. وقد مكنت الدورة الأقصر والقدرة على إعادة تكوين الأجهزة الشركات الناشئة والجامعات وشركات تصنيع المعدات من تجربة البنى المتقدمة التي كانت في السابق في متناول شركات الرقائق الكبيرة بشكل أساسي.

جداول البحث وصعود الحوسبة القابلة لإعادة التشكيل

من الأساليب الشائعة لتنفيذ الوظائف الرياضية في الأجهزة جدول البحث (LUT). LUT عبارة عن عنصر ذاكرة صغير يقوم بتخزين نتائج العمليات المنطقية، وفقًا لـ “LUT-LLM: استدلال نموذج لغة كبير فعال مع الحسابات المستندة إلى الذاكرة على FPGAs”، وهي ورقة تم اختيارها للعرض الشهر المقبل في الندوة الدولية الرابعة والثلاثين لـ IEEE حول أجهزة الحوسبة المخصصة القابلة للبرمجة ميدانيًا (FCCM).

وبدلاً من إعادة حساب النتائج بشكل متكرر، تقوم الشريحة باسترداد الإجابات مباشرة من الذاكرة. يقارن كونغ النهج باستشارة جداول الضرب بدلاً من إعادة حساب العملية الحسابية في كل مرة.

ساعدت الأبحاث التي أجراها كونغ وآخرون في تطوير أساليب فعالة لرسم خرائط الدوائر الرقمية على البنى القائمة على LUT، وتشكيل استراتيجيات التوجيه والتخطيط المستخدمة في الأجهزة الحديثة.

ومع توسع ميزانيات الترانزستور، قام بائعو FPGA بدمج كتل الذاكرة، ووحدات معالجة الإشارات الرقمية، وواجهات الاتصال عالية السرعة، ومحركات التشفير، والمعالجات المدمجة، مما أدى إلى تحويل الأجهزة إلى منصات حوسبة متعددة الاستخدامات.

لماذا تختلف مصفوفات البوابة عن وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) وASICs

تتعايش FPGAs مع المعالجات الأخرى لأن كل واحدة منها تعمل على تحسين الأولويات المختلفة. تتفوق وحدات المعالجة المركزية في الحوسبة العامة. وتهيمن وحدات معالجة الرسومات، المصممة لإجراء العديد من العمليات الحسابية في وقت واحد، على أعباء العمل المتوازية الكبيرة مثل تدريب الذكاء الاصطناعي. توفر ASICs أقصى قدر من الكفاءة عندما تظل التصميمات مستقرة وتكون أحجام الإنتاج مرتفعة.

“يمكن لـ ASICs تقديم أفضل أداء، لكن دورة التطوير طويلة، ويمكن أن تكون التكلفة الهندسية غير المتكررة عالية جدًا. توفر FPGA نقطة اتصال جيدة بين المعالجات والسيليكون المخصص.” —جايسون كونغ، زميل IEEE وأستاذ علوم الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا.

يقول كونغ: “إن FPGAs ليست بدائل لوحدات المعالجة المركزية أو وحدات معالجة الرسومات”. “إنها تكمل تلك المعالجات في أنظمة الحوسبة غير المتجانسة.”

تجمع منصات الحوسبة الحديثة بشكل متزايد بين أنواع متعددة من المعالجات لتحقيق التوازن بين المرونة والأداء وكفاءة الطاقة.

علامة فارقة لفكرة، وليس مجرد جهاز

يعترف IEEE Milestone بأكثر من مجرد منتج ناجح لأشباه الموصلات. كما أنه يعترف بالتحول في كيفية ابتكار المهندسين.

تسمح الأجهزة القابلة لإعادة التشكيل للمصممين باختبار الأفكار بسرعة، وتحسين البنيات، ونشر الأنظمة مع تطور المعايير والأسواق.

يقول كونغ: “بدون FPGAs، من المرجح أن تكون وتيرة ابتكار الأجهزة أبطأ بكثير”.

بعد أربعة عقود من ظهور أول FPGA، يعكس الإرث الدائم للتكنولوجيا رؤية فريمان: لم تكن الأجهزة بحاجة إلى أن تظل ثابتة. من خلال قبول كمية صغيرة من السيليكون غير المستخدم مقابل القدرة على التكيف، قام المهندسون بتحويل الرقائق من المنتجات الثابتة إلى منصات للتجارب المستمرة، مما أدى إلى تحويل السيليكون نفسه إلى وسيط يمكن للمهندسين إعادة كتابته.

ومن بين الذين حضروا حفل Milestone رئيسة IEEE لعام 2025 كاثلين كرامر؛ رئيس IEEE لعام 2024 توم كوغلين؛ أفيري لو، رئيس قسم IEEE Santa Clara Valley؛ وبريان بيرج، رئيس قسم التاريخ والمعالم في IEEE Region 6. وانضموا إلى الرئيس التنفيذي لشركة AMD، ليزا سو، وسليل راجي، نائب الرئيس الأول والمدير العام للحوسبة التكيفية والمدمجة في AMD.

تقول لوحة IEEE Milestone التي تكرم مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة ميدانيًا:

“FPGA عبارة عن دائرة متكاملة تحتوي على وظائف منطقية ووصلات منطقية قابلة للبرمجة بواسطة المستخدم. شارك مخترع FPGA روس فريمان في تأسيس Xilinx لإنتاج اختراعه عام 1984، وفي عام 1985 تم تقديم XC2064 مع 64 وظيفة منطقية قابلة للبرمجة ذات 4 مدخلات. ساعدت FPGAs من Xilinx في تسريع التحول الدراماتيكي في الصناعة حيث يمكن للشركات “غير المصنعة” استخدام أدوات برمجية لتصميم الأجهزة مع إشراك شركات “المسابك” للتعامل مع المهمة كثيفة رأس المال المتمثلة في تصنيع الأجهزة المحددة بالبرمجيات.

يُدير برنامج IEEE Milestone، الذي يديره مركز تاريخ IEEE وبدعم من الجهات المانحة، التطورات التقنية المتميزة في جميع أنحاء العالم والتي لا يقل عمرها عن 25 عامًا.

الدفع نطاققناة تاريخ التكنولوجيا لقراءة المزيد من القصص حول الإنجازات الهندسية الرئيسية.