Детальная информация: Топология интегральных микросхем № 4
- Статус Действует
- (11) № охранного документа 4
- (13) Охранный документ Топология интегральных микросхем
- (21) Номер заявки 2023002
- (22) Дата подачи заявки 20.03.2023
- (57) Реферат Современный научно-технический прогресс создал необходимость в использовании компьютеров с большой мощностью для решения множества прикладных задач. Чип «New Power» был разработан специально для оптимизации таких ресурсоемких задач, как планирование транспортных систем, проектов, доставки товаров, распределение заказов, ресурсов и производственных мощностей, а также для составления расписаний. Принцип работы чипа Решение проблемы ускорение процесса вычисления и обработки данных, сохраняя предоставленные мощности – распараллеливание. "Распараллеливание" — это процесс адаптации алгоритмов для эффективного выполнения на компьютерных системах. Необходимо учитывать не только формальную параллельность структуры алгоритма, но также то, что операции обмена данными в параллельных ЭВМ выполняются гораздо медленнее, чем арифметические операции, что ведет к накладным расходам на организацию параллелизма. Сначала нужно определить, что именно нужно распараллелить. 1. Логические элементы схемы Транзистор является основным элементом для создания интегральных схем - радиоэлектронных компонентов, состоящих из полупроводникового материала, который позволяет управлять током в электрической цепи. Логические элементы, созданные из транзисторов, предназначены для обработки информации в цифровой форме и могут выполнять различные функции: инвертировать сигнал, производить логическое И, ИЛИ или исключающее ИЛИ, а также выполнять функции повторителя и управляющего повторителя. • Элемент НЕ (инвертор). На выходе будет «1» тогда и только тогда, когда на входе будет «0»; • Элемент И (конъюнкция). На выходе будет «1» тогда и только тогда, когда на всех входах будет «1»; • Элемент ИЛИ (дизъюнкция). На выходе будет «1», когда хотя бы на одном входе будет «1»; • Элемент сложения по модулю 2 (исключающее ИЛИ). На выходе будет «1» тогда и только тогда, когда на входе будет нечётное количество «1»; • Повторитель; • Управляющий повторитель. Используется для соединения нескольких выходов в один выход С помощью логических элементов можно создавать сумматоры, логические блоки и даже свой компьютер. Важно учитывать, что правильное сочетание логических элементов позволяет создать сложные логические функции. 2. Логика процесса Чип представляет из себя АЛУ (арифметико-логическое устройство). По способу действия устройства делятся на последовательные и параллельные. Параллельная реализация из названия производит расчет в параллельном коде и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов. Разрабатываемая схема, как и стандартное АЛУ различает числа с фиксированной, плавающей точкой, а также и десятичные числа, тем самым спектр применения логики не уступает аналогам. По характеру использования элементов и узлов схема является блочной. В блочном устройстве операции над числами выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. Арифметико-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций. Рассматриваемая схема, используемая в разработке, состоит из логических элементов XOR, AND, OR, при чем в процессе обработки не выполняются промежуточные вычислений, а работает на операции сравнения, тем самым не замедляя процесс вычисления. Логическая схема чипа представлена на Рис.1 Рис.1. Оптимизированная схема полного сумматора. Практическая реализация 1. Оптимизация Как можно заметить из Рис.1 один блок состоит из 5 логических элементов (3XOR, AND и OR), а схема XOR представляет из себя: Рис.2 Схема XOR и таблица истинности Блок NAND представлен на рис.3. Рис.3. Схема NAND и таблица истинности 2. Принципиальная схема Заметим, что все логические элементы состоят из блоков AND, OR, NOT. В практической реализации данного проекта реализация полного 8 битного сумматора выполняется в виде отдельного блока (Рис.4), и компаратор выполняется в отдельной схеме (Рис.5). Рис.4 Логическая схема одного блока полного сумматора Рис.5. Строение компаратора на выходе из сумматора 3. Список компонентов Для уменьшения платы в размерах, используются микросхемы CD4070 и MC14008. Устанавливаются 2 CD14008. Сама микросхема представляет из себя 4-битный сумматор. Рис.6. Логическая схема MC14008 и CD4070 Принципиально вся схема представляет из себя 8-битный сумматор со следующим после компаратором. Роль компаратора выполняет CD4070 – микросхема с четырьмя элементами XOR. Для 8-битной системы используется 3шт. После, на каждый вывод устанавливается диод, и все они замыкаются параллельно. Все вводы и выводы располагаются на плате Arduino, через которую происходит программирование. Рис.7. Схема реализации Данная реализация хорошо себя показала на этапе тестирования Сравнительная диаграмма производительности Дальнейшее развитие проекта потребовало переход на более высокий технологический уровень. Переход был проведен на платы FPGA. FPGA (Field Programmable Gate Array) – это программируемая микросхема, которая может быть перепрограммирована для выполнения различных функций в соответствии с потребностями пользователя. FPGA состоит из регулируемых соединений, которые могут быть перепрограммированы и принцип работы основан на технологии регулируемых соединений и логических элементов, которые могут быть перепрограммированы в соответствии с заданными потребностями. Логические элементы обычно включают в себя вентили, которые могут выполнять логические операции, такие, как И, ИЛИ, НЕ и т.д. Перед использованием, пользователь должен разработать конфигурационный файл, который описывает функциональность, которую нужно реализовать (Рис.4-5.). Конфигурационный файл загружается в FPGA, и микросхема перепрограммируется в соответствии с этим файлом. PYNQ-Z1 — это отладочная плата, основанная на системе на кристалле (SoC) Zynq-7000 от Xilinx, и предназначена для обучения и прототипирования систем, использующих программируемую логику. Рассмотрим технические характеристики этой платы: 1. FPGA: Плата оснащена программируемой логикой на основе FPGA семейства Zynq-7000, которая содержит 28 000 логических ячеек, 240 блоков DSP, 80 блоков интеллектуальной обработки видео и другие ресурсы для реализации пользовательской логики. 2. Процессор: PYNQ-Z1 содержит двухъядерный процессор ARM Cortex-A9 с частотой до 667 МГц. 3. Память: Плата имеет 512 МБ DDR3 SDRAM и микроSD-карту на 8 ГБ для хранения программного обеспечения и данных. 4. Периферийные интерфейсы: PYNQ-Z1 имеет много периферийных интерфейсов, включая HDMI, Ethernet, USB, GPIO, UART, I2C, SPI и другие. 5. Разъемы: на плате имеются разъемы для подключения камеры, дисплея и других дополнительных устройств. 6. Фреймворк: PYNQ-Z1 поддерживает фреймворк PYNQ (Python Productivity for Zynq), который позволяет программистам разрабатывать приложения, используя Python и Jupyter Notebook. 7. Инструменты: Плату можно программировать и отлаживать, используя Vivado Design Suite от Xilinx, который позволяет создавать и отлаживать программную логику, используя графический интерфейс. 8. Примеры проектов: PYNQ-Z1 поставляется с множеством примеров проектов, которые можно использовать для обучения и экспериментирования в различных областях, таких как обработка сигналов, компьютерное зрение, нейронные сети и многие другие. В целом, PYNQ-Z1 — это мощная и гибкая плата для разработки, которая имеет много интересных функций и возможностей для обучения и прототипирования систем, использующих программируемую логику. 4. Реализация Рис.8. Вид сверху Рис.9. Вид снизу Заключение Эта плата обладает достаточно низкой стоимостью и простотой, что позволяет собирать вычислительные системы различных битностей и быстро выполнять любые вычисления. Для дальнейшей разработки планируется переход на более серьезные FPGA системы, с увеличением мощности системы и тестирование для различных задач. В современном бизнесе время - деньги, поэтому сокращенное время выполнения задач означает экономию денег, повышение энергоэффективности, экологичность, удовлетворенность клиентов и конкурентное преимущество. Чип «New Power» значительно экономит время компании, клиентов и пользователей.
- (54) Название Новая сила
- (73) Патентообладатель Товарищество с ограниченной ответственностью "InnoMatrix Semiconductors" (KZ)
- (74) Патентные поверенные Берекмоинов Тимур Фазылович
- (45) Номер и дата бюллетеня № 23 - 09.06.2023
- Срок действия 20.03.2033