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FPGA是如何产生的,第3部分

MMI的伙伴们打开了可编程逻辑的闸门

本系列文章的第2部分讨论了第一个成功的可编程逻辑器件Signetics 82S100 FPLA(现场可编程逻辑阵列)的开发。Signetics公司的一名销售人员试图说服加州欧文市计算机自动化公司的小型机设计师约翰·伯克纳(John Birkner)在他的设计中使用82S100,但伯克纳认为这种设备太贵、太大、速度太慢。他认为自己应该去硅谷,让集成电路供应商们认清事实。

约翰·伯克纳很快就有机会“上去告诉他们他们需要什么”。因为觉得需要换工作,Birkner租了一架塞斯纳180飞机,从欧文飞到加州的圣何塞,在那里他参加了AMD和MMI的面试。飞机在整个飞行过程中油都没了,Birkner不得不降落并给油冷却器补充了几次油,但他成功地到达了圣何塞。几乎没有。两家公司都提出了报价。Birkner选择了MMI。

最终,Birkner在MMI的老板Clive Ghest要求Birkner考虑MMI如何利用其用于prom的钛钨熔断器技术来制造fpla。(MMI试图成为Signetics 82S100 FPLA的第二个来源,但MMI的钛钨熔断器不适合82S100的掩模级设计,因为它们表现出比signnetics使用的镍铬熔断器更高的电阻。它们不能被可用的编程电压吹开。)

在他的口述历史中,伯克纳解释了他在盖斯特请求后的思考过程:

“……这就是车轮开始转动的时候。利用我所有设计TTL的经验,有7400金本的TTL(来自德州仪器)——几百个不同的组件都在我的脑子里——因为我们必须在PC板上解决那些难题——我们如何死记死背——当你真的不能最小化时,我们如何进行布尔极小化?

“这些芯片已经预先配置好了。你有四个双输入nand,或者两个四输入and。或者他们有一些ORs。你真的不能最小化,除非用你的大脑,你的头,最小化棋盘上的筹码数量。

“有一天,我突然想到,这本7400 TTL组合和顺序电路的书可以放在几个芯片中。这让我很震惊。所有这些AND门和OR门,都可以塞进这个PLA里。

“嗯,我已经有了解放军可以做到这一点的概念。但我从来没有被赋予过这样的任务:什么是电脑设计师会使用的好产品?我刚当过电脑设计师,知道空间、成本和性能的需求。现在了解了PROM,了解了PROM的结构,我画了一个PROM的结构。我画了一个FPLA的架构。我画了所有的小保险丝。我用X表示所有的小连接。看看这两种架构,成本太高了。性能太低了。

“如果我拿着这个舞会,把它翻转过来呢?”我将and数组设为or数组,or数组设为and数组。它是这两种架构的混合体。我在中心画了这个新的PAL架构,这让那些想要了解的人很感兴趣。他们可以看到舞会的建筑。他们可以看到FPLA的建筑,他们可以看到这个新东西!

“而且这个新东西又快、又便宜、又小。”

Birkner意识到他可以抛弃FPLA的一些可编程功能,用一个可编程的与数组和一个固定的或数组,结合所有的与项,他将得到一个芯片,可以完成FPLA的大部分功能,但它会更快,更便宜。通过逻辑设计师的额外工作,pal可以做几乎任何FPLA可以做的事情,但速度更快,功耗更低,成本更低。这正是设计师们渴望做出的那种工程权衡。当他们成功地沿着价格/功率/性能(PPP)曲线的所有三个维度朝着正确的方向前进时,他们会觉得自己很聪明。

MMI 16L8 PAL的原理图如下所示。与82S100 FPLA(请参阅本系列文章的第2部分)一样,PAL在原理图上没有显示的每一行和列交点处都有一个保险丝。也像82S100一样,不需要的保险丝都在编程过程中被吹开:

MMI于1978年3月在一个两页的广告中介绍了其新PAL家族的第一批成员电子设计杂志。家族成员具有不同的输入和输出组合,有或没有输出寄存器或锁存器。MMI将所有最初的PAL系列器件都封装在20针的细塑料dip中,如下图所示。

MMI将所有最初的PAL系列器件都封装在20针的细塑料dip中。图片来源:Michael Holly

由于伯克纳所预见到的种种原因,PALs迅速地广受欢迎。它们的速度足够快,可以直接替换几层TTL门。电力消耗足够低,不是一个问题。成本虽然没有MMI想要的那么低,但也足以让设计工程师在决定使用它们时暂时暂停一下。

或许,PALs提供的最大优势在PPP工程曲线上找不到。通过允许设计将部分设计推迟到项目的后期,PALs降低了设计风险。当要求不明确或其他形式的设计不确定性出现时,在设计中加入PAL,这部分电路的设计决策可能会推迟到电路板制作完成后很久。

当电路板从pcb车间返回并开始调试时,工程师可以在几分钟内进行设计更改以修复错误,只需吹一个新的PAL并将其插入电路板。当然,成功地使用这一功能取决于设计工程师预测哪里可能出现设计错误的技能。这就是你想在电路中加入PAL的地方。

这一“特性”在今天看来似乎并不是什么优势,因为电路板设计可以通过互联网立即发送给pcb制造商,制作好的电路板最早可以在第二天到达,但在20世纪70年代末和80年代初,电路板的制作需要数周,而不是一两天。因此,在设计中加入PAL,为最终确定符合PAL的部分设计需求提供了数周的喘息空间。设计师们经常利用这一功能,并逐渐依赖于PAL来抵御设计风险。

Birkner也花了很多精力在营销伙伴上。在他的口述历史中,他特别提到了MMI PAL手册的开发工作,这是当时PAL的主要营销工具。以下是手册中对MMI伙伴的描述(注意:有意保留了那个时代的性别特定代词。伙计们,这是20世纪70年代的历史!我在复述,而不是重写。)

PAL是由单片存储器开创的用于双极prom的可熔链技术的扩展。易熔链路PROM第一次给了数字系统设计者“在硅上写字”的能力。在几秒钟内,他就能将一个空白的PROM从通用设备转换成包含自定义算法、微程序或布尔传递函数的PROM。这为prom在计算机控制存储、字符生成器、数据存储表和许多其他应用中的使用开辟了新的领域。今天数百万美元的PROM市场清楚地证明了这种技术的广泛接受。

“PROM成功的关键在于它允许设计师快速轻松地定制芯片以满足其独特的要求。PAL扩展了这种可编程的灵活性,利用经过验证的可熔链路技术来实现逻辑功能。使用PAL电路,设计师可以快速有效地实现自定义逻辑,从随机门到复杂的算术函数。”

《老友记》大受欢迎,甚至出现在特蕾西·基德尔的畅销书《老友记》中。《新机器的灵魂基德尔的书描述了数据通用(DG) Eclipse MV/8000微型计算机(代号“鹰”)的发展,这发生在1978年左右。这本书出版于1981年,并于次年获得普利策奖。Eclipse MV/8000是DG的第一台32位小型机,旨在与数字设备公司的类别杀手VAX直接竞争。DG Eclipse MV/8000虽然是一台32位机器,但它与公司早期的16位小型机向后兼容,不需要单独的16位和32位操作模式。这种向后兼容性很难实现,但它对DG的现有客户来说非常有价值。

Tom West管理DG的Eagle设计团队,并在Kidder的书中扮演核心角色。Kidder是这样描述Tom West使用PALs的决定的:

为了寻求技术优势,韦斯特押注芯片领域即将出现的是一种被称为PAL的电路。集成电路的制造是一个相当有风险的行业;据说,工厂可以在没有明显原因的情况下突然停止运转——尽管一小点灰尘的注入是一个常见的怀疑。因此,传统观点认为,在制造一台新电脑时,你永远不会打算使用任何一种全新的芯片,除非至少有两家公司在生产这种芯片。那时,只有一家相当小的公司在结交朋友。但如果PALs真的是未来的东西,那么使用它们将是一场胜利。韦斯特决定这么做。”

请注意,韦斯特不愿使用单一来源的设备。工程师每天都要面对这样的设计决策。最终,国家半导体、AMD、雷神和德州仪器都成为了MMI伙伴的第二或替代来源。就连Signetics最终也屈服了,在产品线中加入了PALs。

到20世纪70年代末,现场可编程设备开始蓬勃发展。从1978年开始,MMI的PALs销量连续六年每年翻一番。1982年,就在MMI将PALs引入工程界的四年后,我开始在Cadnetix的工程工作站的电路板设计中使用该公司的16L8 pal。很多。正如系统级项目的典型情况一样,在我们需要将电路板设计发送到pcb车间的时候,工作站的部分设计还没有完全定义,所以我将pal放置在设计不确定的战略位置。我将在成品板从制造车间返回后很长时间内开发PAL配置。我在内存管理单元中广泛使用PALs解码地址和设置页面大小。所以,从个人经验来看,我可以说这种以pal为中心的设计策略在当时非常有效。(今天的情况有所不同,因为我们有更好的模拟工具。)

pal也被证明对生成操作早期dram所需的苛刻的行和列地址频闪(RAS和CAS)信号很有用。在20世纪80年代,我当然在这个应用程序中使用了PAL,我的朋友Ahmad Ghaemmaghami也是如此,他在20世纪80年代为富士通工作时,使用MMI PAL设计并制造了一个简单的DRAM测试器。该板上的20针16R8 PAL是具有注册输出的原始MMI PAL家族成员之一,位于方框的右侧,在板的左上象限的白色按钮,生成RAS和CAS信号定时以及dram所需的周期性刷新周期。

Ghaemmaghami的单板DRAM测试仪的照片如下所示。

Ahmad Ghaemmaghami为富士通设计的基于pal的DRAM测试板是为测试256Kbit和1Mbit DRAM而开发的。它可以执行“全1”、“全0”、棋盘和反向棋盘的内存测试。

Ghaemmaghami的电路板是20世纪80年代中期逻辑设计的一个很好的例子。它将许多廉价的TTL MSI和SSI芯片与一个或几个PALs混合在一起,战略性地用于TTL设计由于某种原因无法工作的地方。注意,这个板上没有微处理器或微控制器。35年后的今天,你可以用一个便宜的微控制器替换电路板上的所有芯片。

MMI的PALs基于许多IC制造技术和测试方法,这些技术可以追溯到20世纪60年代哈里斯半导体公司推出的现场可编程二极管矩阵,为系统设计师打开了可编程逻辑的闸门。但这些设备并不是现场可编程逻辑的最后进化阶段。差远了。进化阶梯上的下两级,cpld(复杂可编程逻辑器件)和fpga,将很快出现。

引用:

约翰·伯克纳的口述历史,计算机历史博物馆,2016年3月29日。

关于“FPGA是如何诞生的,第3部分”的3个想法

  1. 你好Steve -我同意Max的观点,欣赏你对可编程逻辑起源的深入研究。谢谢你的回忆!
    很高兴听到您在Cadnetix设计工程工作站的经验,部分设计在发送到PCB车间之前没有完全定义,并且在设计不确定时在战略位置使用伙伴。此外,在内存管理中使用PALs解码地址设置页面大小是很常见的,操作早期dram所需的行和列地址频闪(RAS和CAS)信号也是很常见的。-期待即将到来的专栏。

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