FPGA user 기본 용어

 

 

FPGA는 Field Programmable Gate Array의 약자입니다.
Field Programmable이란 말 그대로 현장에서 프로그래밍이 가능하다는 뜻입니다.
즉, 현장에서 프로그래밍 가능한 Gate Array라고 할 수 있는데, 우선 Gate Array가 무엇인지 알아 봅니다.

• Gate Array

Gate Array를 이용한 설계는 선사시대의 설계 방법론이라고 할 수 있습니다. 저는 해 본 적이 없고,
아마도 단시일내에 Gate Array를 이용한 설계를 할 일은 없을 것 같습니다.
직접 경험한 바가 아니므로 추측으로 설명을 하자면 다음과 같습니다.

Gate Array는 말 그대로 (digital logic) Gate가 silicon wafer 위에 일정하게
Array 형태를 이루어 분포되어 있는 상태(?) 를 말합니다. 
아마도 NAND Gate 혹은 NOR Gate하고 Flipflop이 아마도 Array를 이루고 있을 겁니다.
NAND(혹은 NOR) Gate의 연결 만으로 모든 combinational logic을 설계할 수 있으므로 설계자는
단순히 Gate 사이를 metal로 연결을 하여 설계를 완료합니다. 이런 설계 방법론이 대두된 이유는 
digital logic IC 설계의 FAB NRE charge가 비싸기 때문입니다.

(이것은 선사시대나 지금이나 마찬가지인가 봅니다.) FAB NRE는 대부분은 mask를 만들기 위해서 들어갑니다.
Wafer 위에 N형 반도체, P형 반도체, Oxide, Polysilicon, Metal 등을 올리기 위해서는 수십장의 mask를 만들어야 합니다.
하지만 Gate가 모두 놓여진 상태에서 metal 만 연결하기 위해서는 mask가 많이 필요하지 않고,
그에 따라 NRE가 상당히 줄어듭니다. Gate만 놓여 있는 Wafer를 만들어서 비교적 싼 가격에 공급하는 회사가 있다면,
설계자 입장에서 비교적 싼 가격에 그 Wafer를 사고, metal 연결에 대해서만 NRE를 내고 chip을 생산할 수 있게 됩니다.
Gate Array를 이용하는 설계가 많으면 많을 수록 Gate Array Wafer가 많이 팔리게 되므로 Wafer의 가격이 낮아져서 더 많은 설계에 이용되는 선순환이 이루어질 수 있습니다. 반대로 Gate Array를 이용하는 설계가 별로 없다면, Gate Array Wafer가 별로 안팔려 가격이 상승하고, 그로 인해 더욱 Gate Array를 이용한 설계가 줄어드는 악순환이 반복될 수 있습니다. Gate Array가 선사시대의 설계 방법론이 되었고, 그렇다는 것은 그런 선순환보다는 악순환이 발생했다는 의미입니다. 무엇이 문제였을까요?

Gate Array 설계 방법을 쓰면 사용하지 못하는 Gate가 생길 가능성이 큽니다. 또한, NAND(혹은 NOR) Gate 만으로 logic을 설계하면 당연히 서로 다른 gate를 모두 이용하여 설계하는 방법보다 transisitor 갯수(즉 die area)면에서 불리합니다. 결국 die area가 늘어나서 chip 단가가 상승하고, power 소모도 더 많이 할 수 밖에 없습니다.

die area는 그렇다 치고 timing을 맞추는데, 즉 높은 동작 주파수를 달성하는데 어려움이 따를 것 같습니다. Gate의 input이 제한되어 있으므로, combinational logic이 여러 단계를 더 거쳐야할 필요가 있습니다. 그리고 회로에 따라서 metal을 이용하여 routing 하는 것에 또 다른 timing 문제를 발생시킵니다. 예를 들어 combinational logic 출력은 flipflop에 연결하려고 봤더니 flipflop이 먼 곳(가까운 곳에 있는 flipflop은 모두 다른 output을 연결해서 없다고 가정)에 있으면 느려질 수 밖에 없겠습니다. 그리고 보통 일반적인 반도체 설계의 경우 fan-out에 따라서 동일한 동작을 하는 gate가 여러 종류가 있어서 timing을 이용하여 최적화 하게 되는데, Gate Array에서는 그렇게 하기 곤란합니다.

더욱 큰 문제는 chip 내부에 analog 회로를 넣으려고 해도 방법이 없습니다. Analog 회로는 둘째치고 커다란 SRAM을 넣는 것도 참 곤란합니다.

Gate Array 설계 방법론의 다른 문제는 Risk및 비용(NRE)가 줄어들기는 하되 없어지지 않는다는 점입니다. 매우 많이 팔릴만한 chip의 경우 NRE와 Risk를 모두 감수하고 full custom으로 설계하는 것이 chip의 단가를 낮출 수 있어서 유리하고, 매우 소량 팔리는 chip의 경우에는 아래 설명할 FPGA를 이용하는 것이 유리합니다. Gate Array 설계 방법은 그 사이에 끼어 있는 형태인데, 그 사이의 시장이 별로 없었거나 개척하지 못했다는 것이 가장 큰 문제였을 겁니다.

현재 제한된 영역에서는 명맥을 유지하고 있기는 한가 봅니다. ATMEL에서 제공하는 CAP이라는 애가 있는데, Gate Array 인지는 확실하지 않지만, metal programmable한 영역이 일부 들어 있는 ARM chip을 생산해 주는 것으로 보입니다. 사용자는 metal programmable한 영역에 목적에 맞는 특별한 peripheral을 만들어 chip의 나머지인 ARM CPU 및 peripheral과 연동하여 사용할 수 있는 형태로 보입니다.

• FPGA 란?

FPGA는 위에서 언급한 대로 Field Programmable Gate Array의 약자인데, 한마디로 정의 하면 사용자가 원하는 digital logic을 programming(혹은 configuration)통해 구현할 수 있는 chip입니다. Gate Array 설계 방법론이 metal layer를 설계하여 FAB에서 비교적 싼 chip을 생산하는 방법인 반면, FPGA 설계 방법은 그냥 FPGA 회사에서 나오는 FPGA chip을 board에 실장해 놓고 programming을 하여 사용하는 방법입니다.

FPGA는 NAND/NOR와 같은 단순한 gate를 사용하지 않고, LUT(Look-Up Table)을 이용하여 combinational logic을 구성하고, LUT의 끝에는 flipflop이 있어 sequential logic을 구현할 수 있도록 되어 있습니다. LUT가 chip 안에 Array 형태로 많이 들어있고, LUT 사이의 연결도 programming할 수 있고, chip의 I/O도 사용자가 어느 정도 정할 수 있습니다. 따라서 FPGA로는 모든 digital logic을 구현할 수 있고, interface도 자유로와 다른 chip과의 연결을 쉽게 할 수 있습니다.

FPGA도 Gate Array 방법과 비슷한 단점을 가집니다. 우선 FPGA chip 자체가 상당히 비쌉니다. 물론 내부에 들어 있는 LUT의 갯수에 따라서 가격은 많이 달라지기는 하지만 싸면 수십불에서 비싸면 수천불(Altera Stratix IV는 9천불이 넘는 애들이 있음)까지나 하는 상당히 고가의 chip입니다. 그리고 timing도 일반적인 chip 설계에 비해서 좋을 수 없습니다. 또한 일반적으로 Analog 회로는 들어가 있지 않습니다.

하지만 Gate Array 설계 방법론에 있었던 NRE와 같은 것은 전혀 없습니다. 따라서 Risk가 거의 없다고 봐야 합니다. 또한 설계를 FAB에 보내 chip을 생산하는 것이 아니고, 검증 및 디버깅도 상대적으로 쉽기 때문에 개발 기간이 짧다는 장점이 있습니다.

• FPGA Vendor

FPGA 시장에는 Xilinx와 Altera라는 두 회사가 막강한데 그 중에 Xilinx가 부동의 1위 자리를 지키고 있습니다. 두 회사가 약 80% 정도의 시장 점유율을 가지고 있다고 합니다. FPGA 뿐 아니라 CPLD(Complex Programmable Logic Device)를 포함한 시장 점유율에서도 비슷한 양상으로 나타나고 있습니다. 그외로 작은 애들이 있는데 actel, lattice 등이 있고, 신생 기업도 여럿 있습니다.

FPGA 시장은 사실 진입하여 성공하기 매우 힘듭니다. 우선 FPGA chip 자체를 잘 만드는 것은 당연하고, FPGA 설계를 위한 Design Software 등을 잘 갖추어야 합니다. 또한 FPGA에서 사용할 수 있는 각종 IP와 design example을 제공해 주어야 하고, 또한 third party 회사들과의 eco-system이 갖추어져야 합니다. 이 모든 것을 완비한다고 하더라도, 대부분의 엔지니어가 새로운 것을 배우는 것을 주저하기 때문에 시장 저항이 있을 수 밖에 없습니다. 따라서 당분간은 Xilinx와 Altera, 두 회사가 계속 시장을 주도할 것으로 보입니다.

저도 Xilinx/Altera의 FPGA를 모두 써 보기는 했으나, 주로 Xilinx에서 나온 제품을 많이 사용하기 때문에 Xilinx의 chip, software가 매우 익숙합니다.

• FPGA의 응용 분야

FPGA는 Digital 영역 어디에서도 자유롭게 다른 chip과 연결하여 사용할 수 있습니다. 하지만 FPGA가 매우 비싼 만큼 어느 정도 제약이 있습니다.

시스템 회사가 제품을 만들 때는 우선 시장에서 구할 수 있는 비교적 저렴한 chip을 이용하여 구현할 수 있는 것을 모두 구현하는 것이 좋습니다. 하지만 그렇지 못한 경우가 있을 수 있는데, 대부분은 매우 빠른 interface를 가지고 있거나 매우 연산이 많이 필요한 경우로 볼 수 있습니다. 그렇다면 해당 기능을 수행하는 chip을 직접 만들거나 FPGA를 고려할 수 있습니다. 해당 제품이 매우 많이 팔린다면, chip을 직접 만드는 데 필요한 개발비용이 크게 부담이 아니므로 chip을 만드는 편이 좋겠지만, 그렇지 않은 경우에는 FPGA가 정답입니다. 즉, 제품의 시장 규모가 작은 편이라면 FPGA를 사용하는 것이 가격적으로 이득입니다.

시장 규모가 작은 시스템이면서 FPGA가 사용될 수 있을만큼 고가의 시스템은 사실 매우 많습니다. 예를 들어 산업용 시스템이나, 항공, 의료 관련 시스템 등이 쉽게 떠오를 수 있습니다. 보잉이 비행기를 만들어봐야 1년에 몇 대나 만들겠습니까? 참고로 Xilinx 사이트에서는 다음과 같은 응용 분야를 내세우고 있고, Altera가 내세우는 분야와 크게 차이가 없습니다.

- Aerospace/Defense

- Automotive

- Broadcast

- Consumer

- Data process/Storage

- Industrial/Scientific/Medical

- Wired

- Wireless

FPGA vendor 입장에서는 돈이 잘 안되겠지만, 우리 회사에서는 chip prototype을 위해서 FPGA를 사용하기도 합니다. chip을 FAB에 넣기 전에 FPGA를 이용하여 기능을 구현한 다음, 그것을 실제로 돌려 보는 겁니다. 물론 원하는 동작 clock에 비해 늦게 동작을 하지만 simulation이나 기타 다른 방법에 비해 월등히 빠르게 동작합니다. Chip의 설계를 FPGA를 이용하여 검증하는 경우가 꽤나 많이 있습니다.

 

 

• FPGA의 내부 구조

- LUT(Look Up Table)

FPGA는 Gate Array와 달리 NAND/NOR Gate는 사용하지 않고, 대신 4~6 input LUT를 사용하여 combinational logic을 구성합니다. LUT이란 그냥 memory라고 생각하면 됩니다. Address에 input을 가하면 memory 내부의 내용이 output으로 나오면서 그것이 logic이 됩니다. memory 내부의 내용을 바꾸어 다양한 combinational logic을 구현할 수 있습니다. 당연히 sequential logic을 설계할 수 있어야 하므로 LUT의 끝에는 flipflop이 달려 있어서 이용할 수 있습니다. 기본적으로 LUT를 여러 개 넣은 것을 한 단위로 하여 Vendor별로 Slice니 ALM이니 하는 것으로 부르고 그것의 배열이 FPGA를 이루고 있습니다.

- Programmable Interconnect

LUT들 사이의 연결을 해야 완전한 logic이 됩니다. 이 연결도 당연히 programmable합니다. 일반적으로 FPGA 설계가 chip으로 구현하는 것보다 느린 이유는 이 Interconnect 부분에서 많은 delay가 있기 때문입니다. 될 수 있으면 routing을 잘 하여 interconnect의 delay를 줄여야 빨리 동작하는 설계가 됩니다.

- Programmable I/O

FPGA와 다른 chip들이 interface해야 하므로, FPGA I/O pin도 여러 종류의 interface 표준을 지원합니다. 예를 들어 LVTTL/LVCMOS과 같은 간단한 interface뿐 아니라,  DDR/DDR2 SDRAM에서 사용하는 SSTL과 같은 것도 지원하고, LVDS와 같은 differential interface도 가능합니다. FPGA에 있는 pin들이 지원하는 interface에 따라 나누어져 있는 형태가 아니고, 모든 pin을 interface에 따라 달리 사용할 수 있도록 되어 있습니다. 물론 VCC/GND는 제외하고, IO의 전압에 따라서 약간의 제한이 존재하기는 합니다.

- Memory

LUT/flipflop 만으로도 모든 digital logic(combinational/sequential)을 구현할 수 있지만, FPGA에는 SRAM 형태의 block memory도 들어 있습니다. LUT끝에 있는 flipflop으로도 data를 저장할 수 있지만, 그렇게 사용하게 되면 LUT가 낭비되고, routing이 복잡해 지므로 효율적이지 않기 때문입니다. SRAM은 보통 buffering을 위해서 FIFO 형태로 사용하게 되는 경우가 많습니다.

- Adder/Multiplier

연산을 위한 Adder/Multiplier 등도 별도로 들어 있습니다. 역시 LUT로도 구현이 가능하지만 전용 block을 가지고 있는 편이 timing/die area/power 등의 면에서 유리하기 때문입니다. Adder/Multiplier를 이용할 경우, 기존에 DSP(Digital Signal Processor)가 많이 이용되는 영역 - 당연히 Digital Signal Processing 분야 - 에서도 FPGA를 이용한 구현이 더 유리하다는 많은 글들이 올라오고 있습니다. 당연히 FPGA 회사에서 홍보성으로 퍼뜨리는 글일테지만 완전히 거짓은 아닐 것으로 판단됩니다. 다만 기존의 DSP Software를 하는 engineer는 FPGA를 이용한 설계에 적응을 쉽게 할 수 없겠지만 말이죠.

- Clock 생성 관련 PLL 등

PLL 등의 block이 포함되어 있어서 FPGA 내부에 다양한 형태의 clock을 공급해 주게 됩니다. 해당 PLL이 어떻게 동작해야 하는지도 당연히 programmable 합니다.

- High Speed Serial I/O

Gbps(Giga-bit/sec)급을 지원하는 Serial I/O도 포함되어 있는 경우가 있습니다. 당장 PC에서 사용하는 PCI-Express, SATA와 같은 것을 FPGA에서 지원하려면 High Speed Serial I/O가 있어야 합니다. 또한 많은 분야(주로 Video/Broadcast 부분)에서 Gbps급 I/O를 사용하고 있어서 FPGA에서도 지원하고 있습니다.

- CPU

내부의 ARM이나 PowerPC 등의 CPU가 포함된 FPGA도 있습니다. 사실 System에서 FPGA 사용을 검토하는 가장 큰 이유는 매우 많은 연산을 처리해야 하는데 그것을 일반적인 CPU 혹은 DSP가 감당할 수 없을 때입니다. FPGA로 많지만 간단한 연산을 처리하도록 하고, 나머지 복잡하지만 자주 처리할 필요가 없는 부분은 여전히 CPU로 하는 것이 일반적입니다. 아무래도 CPU에 Software를 얹는 방법이 hardware 설계 보다 쉽기 때문에, 복잡하지만 peformance가 많이 필요하지 않은 일은 software로 구현하는 편이 유리합니다. 결국, FPGA로 System을 구성하더라도 별도로 CPU가 필요한 경우가 많은데, 그 때 사용하라고 ARM/PowerPC 등의 CPU를 FPGA에 넣는 경우가 있습니다. 하지만 요즘은 FPGA Vender에서 LUT로 비교적 빠른 CPU를 구현해서 넣는 방법을 제공하여, ARM/PowerPC가 들어 있는 FPGA의 용도는 좀 애매해진 구석이 없지 않습니다.

- 기타

그 외로 Ethernet MAC, PCI Express controller, DRAM Controller등이 내장된 FPGA도 있습니다. 심지어 몇가지 Analog Circuit이 들어 있는 FPGA도 있는데, 일반적으로 Analog Circuit은 application에 따라서 요구하는 specification이 매우 다양하기 때문에, Analog Curcuit이 들어 있는 FPGA는 대중적이지는 않습니다.

• FPGA 종류

LUT가 memory라고 했는데, 일반적으로 저렴하면서 빠른 memory는 SRAM입니다. 따라서 매우 빠른 동작 속도를 가지는 FPGA의 경우 SRAM을 기반으로 하는 경우가 많습니다. 하지만 SRAM의 경우 전원이 없으면 data를 잃어버리는 단점이 있습니다. SRAM 기반의 FPGA의 경우에는 전원이 인가되면, SRAM 내용을 채워야 동작이 되는데, 그것을 위한 방법은 여러가지가 있습니다. 가장 간단한 방법은 각 FPGA Vendor에서 제공하는 program memory chip을 사용하는 것입니다. program memory chip은 non-volatile 형태로 전원이 없어도 내용이 유지됩니다. FPGA에 전원이 인가되면 program memory chip에서 data를 읽어서 자신을 programming(보통은 configuration이라 부름)하고난 후에 동작을 시작합니다. FPGA Vendor가 제공하는 program memory chip도 아주 많이 팔리지 않으므로 그다지 저렴하지 않습니다. 저렴하게 팔리는 SPI Flash와 같은 chip을 이용해서 configuration할 수 있는 FPGA도 있습니다. 또 다른 방법으로 외부의 CPU나 다른 logic이 FPGA에 program 내용을 download해 주는 방법이 있습니다. 마지막으로 JTAG을 이용한 configuration 방법이 있습니다. 보통 PC와 cable로 JTAG 연결을 하여 configuration하는 방법인데, 개발 중에 많이 사용합니다. 각 FPGA Vendor별로 전용 JTAG cable을 제공해 주고, 그것은 Vendor의 design software를 이용하여 동작시킵니다. 참고로 program memory chip도 보통의 경우 JTAG을 이용하여 program하게 됩니다.

 

Flash Memory를 기반으로 동작하는 FPGA도 있습니다. Flash 기반이므로 당연히 SRAM 기반 FPGA보다 비쌉니다. 두가지 형태가 있는데, 하나는 FPGA 내부는 SRAM 기반으로 하되 program memory chip 기능을 가지는 flash가 내장된 형태가 있고, 나머지 하나는 그냥 Flash 기반으로 FPGA가 동작하는 경우가 있습니다. Flash 기반이므로 당연히 전원이 없을 때도 data를 잃어버리지 않으므로 별도의 외부 장치가 없어도 동작하는데는 지장이 없습니다. FPGA 내부의 flash는 보통 JTAG을 이용하여 programming합니다.

Actel에서만 나오는것 같은데 anti-fuse라는 방식의 FPGA가 있습니다. FPGA 내부가 fuse의 array와 같이 되어 있고, 강한 전류를 흘려, 특정 fuse를 끊어 내는 방식으로 FPGA를 programming한다고 합니다. 당연히 별도의 program memory chip을 필요로 하지 않습니다만, FPGA를 한번 programming하면 다시 programming하는 것은 불가능하다는 단점이 있습니다. 대신 이 anti-fuse 방식의 FPGA가 매우 빠른 동작을 한다고 알려져 있었는데, 사용해 본 경험이 없어서 현 시점에서도 빠르다고 확신할 수는 없습니다.

• CPLD와의 차이

CPLD(Complex Programmable Logic Device)라고 하여 FPGA와 비슷한 애가 있습니다. CPLD도 일반적인 digital logic을 구현하는데 사용됩니다. 각 FPGA Vendor들도 CPLD를 생산하는데, Xilinx는 CoolRunner, Altera는 Max라고 부르는 CPLD product line를 가지고 있습니다. FPGA와는 다른 내부 구조를 가지고 있다고 하는데 자세한 것은 알지 못하고, 사용하는 사람의 입장에서 보면 다음과 같은 차이가 있습니다.
우선 CPLD로 구현할 수 있는 logic의 규모가 FPGA에 비해서 상대적으로 매우 작습니다. 또한 FPGA에는 있는 SRAM, Adder/Multipler, 복잡한 I/O, 여러가지 hardwired logic이 CPLD에서는 제공되지 않습니다. 따라서 CPLD는 glue logic이나 비교적 간단한 sequential logic 같은 것을 만들 때 사용하면 적당합니다.
CPLD는 FPGA 보다 가격이 매우 싼 편입니다. 그리고 보통은 flash 기반이라서 FPGA 처럼 외부에 program memory chip과 같은 device가 필요가 없고, 일반적으로 필요한 supply voltage의 갯수도 적습니다. 따라서 시스템 BOM cost가 민감한 부분에서도 사용될 수 있습니다. 그리고 CPLD가 FPGA보다는 power 소모가 적으므로 power에 민감한 시스템에서도 사용을 고려해 볼 수 있습니다.

 

참조 : http://blogspot.designonchip.com/2009/12/fpga-2.html