40 Jahre FPGAs November 1985: Der Xilinx XC2064 definiert Hardware-Entwicklung neu

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Mitte der 1980er hatten Entwickler eher mit der Problematik zu kämpfen, so viel Rechenleistung wie möglich aus der begrenzten Transistorenzahl einer CPU herauszuholen. Doch dann hatten einige Chip-Anbieter eine radikale Idee: Wie wäre es einen Chip anzubieten, der NICHT jeden einzelnen Transistor voll ausnutzt - sich aber dafür flexibel neu programmieren lässt? Der FPGA war geboren.

In den frühen 1980er-Jahren versuchten Chip-Designer, das Maximum aus jedem einzelnen Transistor ihrer Schaltkreise herauszuholen. Doch dann kam ein Chipentwickler namens Ross Freeman auf ziemlich radikale Idee: Die mittlerweile relativ hohe Transistorendichte auf einem Halbleiter würde es prinzipiell erlauben, mit diesen lose organisierte Logikblöcke zu bilden. Statt starrer logischer Strukturen könnten sich deren Verbindungen mit Software konfigurieren lassen und somit Funktion des Chips auch nachträglich verändern.

Vom fixen Design zur flexiblen Logikidee

Die Chipentwicklung hatte bis dahin rapide Fortschritte gemacht. 1984 führte das japanische Unternehmen NTT erstmals den 1µm-Fertigungsprozess ein; der im Folgejahr vorgestellte Prozessor Intel 80386, der in dieser Strukturgröße gefertigt wurde, konnte somit auf einer Chipfläche von 104 mm² damals rekordverdächtige 275.000 Transistoren vereinen – fast zehnmal so viele, wie noch fünf Jahre zuvor auf einem Intel-8088-Chip Platz gefunden hatten. Das erhöhte die Komplexität, aber auch das Leistungspotenzial, dieser Prozessoren enorm.

Der Gedanke neu programmierbarer Halbleiter war zu diesem Zeitpunkt auch nicht gerade neu: wiederprogrammierbare Speicher-Chips gab es bereits seit 1970. Im Jahr 1983 hatte ein junges Unternehmen namens Altera bereits erstmals einen reprogrammierbaren Logikchip vorgestellt, der auf ein ähnliches Prinzip setzte: Die logischen Verbindungen des EP300 wurden in einem integrierten EPROM gespeichert, das gelöscht werden konnte, indem ein UV-Licht durch ein Quarzglasfenster geleuchtet wurde; anschließend ließen sich der Speicher und die darüber regulierten logischen Verbindungen neu programmieren. Dieser Prozess war aber immer noch recht aufwendig, war es doch nötig, physisch auf den Chip zuzugreifen. Rossmans Idee sollte schneller, eleganter und ohne zusätzliche Speicher realisiert werden können: Ein vollkommen, rein über Software reprogrammierbarer Logikchip.

Dennoch erschien Freemans Idee im Jahr 1985 vielen als unsinnig. Nicht nur würde man mit in Logikblöcken zusammengefassten Transistoren nicht dasselbe Maximum aus deren Gesamtleistung herausholen können – in den meisten Anwendungsfällen würden noch nicht einmal alle Transistoren genutzt und das Chippotenzial damit nicht voll ausgeschöpft werden! Rossman ließ sich davon nicht beirren. Seiner Ansicht nach war es nur eine Frage der Zeit, bis die Transistorendichte gemäß des Moore'schen Gesetzes so stark anwachsen würde, dass diese den Gedanken an solche "vergeudeten" Transistoren irrelevant mache. Zusammen mit den Entwicklungsingenieuren Bernard Vonderschmitt und James V. Barnett II, die zuvor bei Zilog gearbeitet hatten, gründete er im Jahr 1984 die Firma Xilinx, um seine Idee nach einem reprogrammierbaren Chip in die Tat umzusetzen.

Der lange Weg zum ersten FPGA

Tatsächlich hatte Rossmann einen Trend frühzeitig erkannt: Die Mitte der 80er Jahre waren von rasanten Fortschritten vor allem im Bereich der Telekommunikation geprägt. Der technologische Wandel stellte viele Unternehmen in dieser Branche vor ein Problem: Prozessoren wurden immer leistungsstärker, waren aber in ihrer Anwendbarkeit weiterhin relativ starr. Aber der schnelle technologische Fortschritt, gerade im Bereich von Signalwandlern, machte es erforderlich, in immer kürzeren Abständen spezialisierte, relativ teure ASICs entwickeln zu lassen. Rossman kam auf die Idee, dass ein programmierbarer Logikchip diese Lücke zwischen der reinen Compute-Leistung eines Prozessors und der Spezialisierbarkeit eines starren ASIC schließen könnte.

Im November 1985 konnten Rossman und Vonderschmitt ihr Design auf dem Markt vorstellen: den XC2064, der erste Chip, dessen Architektur auf eine Kombination aus programmierbaren Logikblöcken und konfigurierbaren Verbindungen setzte. Diese Architektur ermöglichte Entwicklern eine so noch nicht gekannte Flexibilität beim Schaltungsdesign: Ingenieure konnten den Baustein an verschiedene Anwendungsanforderungen anpassen. In Bezug auf die Logikkapazität verfügte der XC2064 über 64 Logikblöcke, die jeweils zwei Look-Up-Tabellen (LUTs) mit drei Eingängen und einem Register fassen konnten. Das ergibt nach heutigen Maßstäben effektiv weniger als 64 Zellen mit je 1000 äquivalenten Gattern. Das schränkte die Vielfältigkeit und das Leistungsspektrum im Vergleich zu Prozessoren seiner Zeit deutlich ein. Aber es war ausreichend für komplexe Logikaufgaben und die Ausführung komplizierter Algorithmen. Die maximale Betriebsfrequenz konnte je nach Designkonfiguration und spezifischen Anwendungsanforderungen auf bis zu 50 MHz gebracht werden - dann aber mit relativ geringem Anwendungsspektrum.

Wichtiger waren dagegen die ebenfalls vorhandenen 36 E/A-Pins. Diese erlaubten es Entwicklern, auf einfachem Wege verschiedene Schnittstellen zu implementieren, die sowohl Industriestandardprotokolle als auch kundenspezifische Designs unterstützen. Diese Kombination aus Logikkapazität, Architektur und Leistungsmetriken ergab einen Chip, der zuverlässige und effiziente Lösungen für Aufgaben von der digitalen Signalverarbeitung bis hin zu Kommunikationssystemen versprach.

Trotz der vergleichsweise geringen Kapazität war der Chip des XC2064 physisch enorm – größer als die meisten Mikroprozessoren jener Zeit. Die damals eingesetzte 2,5-µm-Prozesstechnologie war gerade so in der Lage, den Baustein herzustellen. Größe und Herstellungskosten pro Funktion waren entscheidende Faktoren – buchstäblich überlebenswichtig für das junge Unternehmen Xilinx. Der XC2064 verfügte über lediglich 64 Flip-Flops, doch sein großer Die machte ihn teuer: mehrere Hundert Dollar pro Stück. In der Chipfertigung bedeutet schon ein Flächenzuwachs von 5 Prozent eine drastische Kostenexplosion – im Extremfall konnte das die Ausbeute so stark senken, dass keine wirtschaftlich nutzbaren Chips mehr entstanden. Für Xilinx hätte das das frühe Aus bedeuten können. Kostensenkung war daher keine Option, sondern eine Notwendigkeit.

Prototypen statt Produkt – und der späte Durchbruch

Ähnlich wie seinerzeit die reprogrammierbaren Speicher sah der XC2064 und weitere Bausteine der folgenden XC2000-Familie von Xilinx sehr selten Einsatz in Endsystemen. Er erfreute sich aber in der Prototypenentwicklung großer Beliebtheit: Chipdesigner konnten ihre Entwürfe auf den Logikblöcken eines einzelnen Halbleiters testen, abpassen und verfeinert, eher das fertige Design in einen ASIC gegossen und massenproduziert wurde. Bald begann auch Altera, ähnliche reprogrammierbare Bausteine anzubieten Auch wenn die beiden Unternehmen den Markt für reprogrammierbare Logik effektiv alleine bedienten, benutzte noch keines von beiden den Begriff FPGA;. Xilinx bezeichnete den XC2064 noch als Logic Cell Array (LCA). Erst 1989 setzte Actel, dass zu diesem Zeitpunkt recht neu in den jungen, aber schnell wachsenden Markt eingestiegen war, in seiner Bezeichnung auf die Feldprogrammierbarkeit der Chips und den Begriff Field-Programmable Gate Array (FPGA).

Der FPGA-Erfinder Freeman sollte den Siegeszug seiner Entwicklung leider nicht lange miterleben; er verstarb bereits im Jahr 1989, nur wenige Jahre nachdem seine Entwicklung ein vollkommen neues Feld in der Elektronikentwicklung erschlossen hatte. In den ersten Jahren lange als teure Muster- und Prototypenbausteine belächelt, sind heute FPGAs eine der größten Technologietreiber. Der aktuell größte auf dem Markt erhältliche FPGA, der Virtex UltraScale+ VU19P von AMD (ehemals Xilinx), verfügt über 9 Millionen Logikzellen und kann sogar zur Fehlerkorrektur für Quantencomputer eingesetzt werden. (sg)

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