Szeroka funkcjonalność i ogromne zasoby logiczne współczesnych układów typu FPGA zwiększają nieustanie ich atrakcyjność na rynku układów scalonych. Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej opracowali przetwornik o parametrach, które osiągają tylko najlepsze zespoły badawcze na świecie. Wyniki badań zaprezentowali w prestiżowym czasopiśmie „Measurement”.
O zaletach układów FPGA (ang. field-programmable gate array), innowacyjnych aspektach opublikowanych badań i długiej historii prac prowadzonych w tym obszarze badawczym w Wojskowej Akademii Technicznej w rozmowie z Marcinem Wrzosem opowiada dr inż. Paweł Kwiatkowski z Wydziału Elektroniki WAT.
Czym są układy typu FPGA?
FPGA to układ scalony o tak zwanej programowalnej logice. Składa się on z wielu uniwersalnych bloków cyfrowych, które dopiero po zaprogramowaniu są odpowiednio konfigurowane i łączone ze sobą, tworząc dowolny system cyfrowy. Takie rozwiązanie daje dużą swobodę w ich projektowaniu. Ponadto jest ono dużo tańsze i prostsze niż gdybyśmy chcieli zaprojektować układ scalony od podstaw. O zaletach i dużych możliwościach układów FPGA najlepiej może świadczyć zainteresowanie tą technologią przez największych na świecie producentów procesorów. Na przykład w ubiegłym roku firmy AMD zakończyła zakup firmy Xilinx, producenta pierwszych układów FPGA, za rekordowe na rynku półprzewodników 50 mld dolarów.
Gdzie wykorzystuje się układy FPGA?
Układy FPGA pojawiły się na rynku prawie 40 lat temu. Przez ten czas uległy znacznym zmianom i sprawdziły się w bardzo wielu zastosowaniach. Z uwagi na relatywnie niski koszt i krótki cykl projektowy są powszechnie stosowane do prototypowania nowych systemów cyfrowych, zanim zostaną one wykonane w postaci specjalizowanego układu scalonego. Możliwość szybkiego przeprogramowywania fragmentu układu, w trakcie pracy urządzenia, oraz wbudowane przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe czynią układy FPGA użytecznymi w systemach radiowych, na przykład w radiu programowalnym.
Duże zasoby logiczne współczesnych układów FPGA, w tym wbudowane wielordzeniowe procesory, umożliwiają wykonanie złożonych systemów cyfrowych w jednym układzie scalonym. Dzięki dedykowanym interfejsom do pamięci RAM czy Gigabit Ethernet’u układy FPGA świetnie sprawdzają się wszędzie tam gdzie konieczna jest szybka transmisja i zapis danych, m.in. w urządzeniach sieciowych i stacjach bazowych systemów telekomunikacyjnych. Obecnie firmy Intel i AMD stosują technologie FPGA w swoich najnowszych rozwiązaniach układowych do cyfrowego przetwarzania danych na potrzeby m.in. uczenia maszynowego. Duża uniwersalność układów FPGA sprawia, że ich spektrum zastosowań jest naprawdę szerokie.
Jaki był powód podjęcia badań?
Zakład Techniki Cyfrowej, w którym pracuje, już od kilkudziesięciu lat zajmuje się projektowaniem urządzeń do pomiaru, generacji oraz dystrybucji sygnałów czasu i częstotliwości. To tutaj w 1997 r. powstał pierwszy na świecie przetwornik czas-cyfra zaimplementowany w układzie FPGA. Od tamtego momentu zespół, w którym mam przyjemność pracować, rozwija tego typu układy, starając się nadążać za rozwojem technologii, nowymi metodami pomiarowymi oraz poszukując coraz to nowych obszarów do ich zastosowań. Rozwiązanie opisane w naszym ostatnim artykule jest więc kontynuacją prac, które prowadzimy w Wojskowej Akademii Technicznej nieprzerwanie od ponad 25 lat.
Dlaczego dokładny pomiar interwałów czasowych jest tak istotny i do czego może zostać wykorzystany?
Pomiar odcinków czasu znajduje zastosowanie w coraz to szerszej liczbie aplikacji. W układach scalonych wytwarzanych w najnowocześniejszych technologiach mikroelektronicznych łatwiej jest uzyskać wysoką rozdzielczość w dziedzinie czasu niż amplitudy. Dokładny pomiar czasu przelotu cząsteczek jest podstawą określania odległości od obiektów, na przykład w dalmierzach czy systemach LiDAR (ang. Light Detection and Ranging). Popularna metoda określania częstotliwości polega na zliczaniu liczby okresów sygnału w bramce czasowej, której dokładny czas trwania należy zmierzyć. Określanie relacji czasowych pomiędzy sygnałami z wzorców atomowych jest podstawą określania uniwersalnego czasu koordynowanego (UTC). To tylko kilka przykładów gdzie dokładny pomiar odcinków czasu odgrywa istotną rolę.
Jakie są największe zalety licznika interwałów czasowych i jak wygląda jego specyfikacja w porównaniu z istniejącymi urządzeniami?
Opisane w artykule rozwiązanie dotyczy przede wszystkim przetwornika czas-cyfra. Stanowi on istotną część licznika odcinków czasu i decyduje w głównym stopniu o jego parametrach.
Opracowany przez nas przetwornik jest jednym z niewielu na świecie, który umożliwia pomiar odcinków czasu z rozdzielczością subpikosekundową, czyli lepszą niż 0,000 000 000 001 s, oraz precyzją nawet poniżej 4 pikosekund (ps). Są to parametry godne odnotowania, plasujące nas wśród najlepszych zespołów na świecie zajmujących się tą tematyką.
Na czym polegał innowacyjny charakter badań?
Innowacją zastosowaną w opracowanym przetworniku jest tzw. wielokrotne próbkowanie ciągu impulsów przemieszczających się w linii opóźniającej. W dużym uproszczeniu opracowaną metodę można porównać do fotografowania obiektu w ruchu. Załóżmy, że na podstawie położenia obiektu na jednym zdjęciu jesteśmy w stanie określić jego prędkość. A co jeżeli wykonamy serię zdjęć? Dokładność pomiaru może zostać znacząco poprawiona. Ta seria zdjęć to w naszym przetworniku właśnie wielokrotne próbkowanie. Opracowana przez nas architektura układu, umożliwiająca realizację wielokrotnego próbkowania, jest przedmiotem patentu udzielonego przez Urząd Patentowy RP (Pat.242769).
Do efektywnego wykorzystania „serii zdjęć” z przetwornika w postaci ciągów binarnych (zer i jedynek logicznych) musieliśmy także opracować odpowiedni układ dekodujący tak otrzymane wyniki na postać odcinków czasu. Opisany w artykule algorytm dekodowania wyników stanowi kolejny innowacyjny aspekt pracy.
Jak udało się osiągnąć rozdzielczość subpikosekundową?
Współczesne układu FPGA pozwalają na opracowanie w relatywnie prosty sposób przetwornika czas-cyfra o rozdzielczości kilku‑, kilkunastu pikosekund. Poprzez zwielokrotnienie liczby elementów wchodzących w jego skład możliwe jest uzyskanie dalszej poprawy rozdzielczości, nawet poniżej 1 ps. Nieco innym zagadnieniem jest dokładność i precyzja pomiaru, czyli na ile powtarzalne i z jakim rozrzutem uzyskiwane są wyniki. Na wysoką precyzję pomiaru ma wpływ nie tylko wysoka rozdzielczość samego przetwornika ale również różne źródła zakłóceń. Chociaż w literaturze naukowej coraz częściej opisywane są przetworniki czas-cyfra o subpikosekundowej rozdzielczości to nasze rozwiązanie wyróżnia się dodatkowo bardzo wysoką precyzją (nawet 2.6 ps). Innymi słowy, kolejne wyniki pomiaru długości odcinka czasu o stałej długości nie różnią się więcej niż o zaledwie kilka pikosekund.
Uzyskanie tak wysokiej precyzji pomiarów jest wynikiem wieloletniego doświadczenia naszego zespołu w projektowaniu tego typu rozwiązań. Oprócz pomysłu na metodę i budowę przetwornika konieczne jest także jego odpowiednie rozmieszczenie w układzie scalonym oraz zaprojektowanie płyty drukowanej z niskoszumnym zasilaniem i torami wejściowymi czy stabilnym, referencyjnym sygnałem zegarowym. Zatem chcąc uzyskiwać parametry na najwyższym światowym poziomie musimy rozwiązywać problemy z szerokiego zakresu zagadnień elektronicznych.
Jaki był cel badania licznika w różnych temperaturach?
Parametry układów scalonych zależą m.in. od zmian temperatury. Wpływ zmian temperatury jest tym bardziej istotny im bardziej wyśrubowane parametry ma mieć wykonany układ. Przeprowadzone przez nas badania pokazały, że zmiana temperatury o więcej niż 10 stopni Celsjusza może prowadzić do znaczącego pogorszenia parametrów opracowanego przetwornika. Można temu przeciwdziałać poprzez cykliczne powtarzanie kalibracji urządzenia.
Kto wchodził w skład zespołu badawczego i jak przebiegały badania?
Innowacyjny przetwornik czas-cyfra powstał w zespole „Precyzyjnej metrologii czasu”, prowadzonym pod kierownictwem obecnego Dziekana Wydziału Elektroniki, prof. Ryszarda Szpleta. Osobiście byłem pomysłodawcą projektu przetwornika w układzie FPGA, natomiast dr Dominik Sondej pomógł nam w opracowaniu algorytmów dekodowania wyniku. Prototyp scalonego przetwornika czas-cyfra sprawdziliśmy na wcześniej opracowanym w naszym Zakładzie i skomercjalizowanym przez WAT wielokanałowym liczniku czasu i częstotliwości MTC108.
Chociaż wstępny pomysł na realizację przetwornika zrodził się już w 2018 r. to rozwiązanie licznych problemów projektowych zajęło nam kolejne 4 lata. Już wstępne wyniki badań prezentowane na międzynarodowych konferencjach tematycznych wskazywały na duże możliwości proponowanego rozwiązania. Ostatecznie po opracowaniu skutecznego algorytmu dekodowania wyniku udało nam się uzyskać znaczące parametry układu.
Czy badania będą kontynuowane i czy są jakieś plany na komercjalizację projektu?
Opracowany przez nas przetwornik ma niewątpliwe zalety jeśli chodzi o uzyskiwaną rozdzielczość oraz precyzję pomiarów. Wadą jest skomplikowany algorytm obliczania wyniku pomiaru oraz silna podatność na zmiany warunków otoczenia. Rozwiązanie powyższych problemów pozwoliłoby na szerokie wykorzystanie opracowanego rozwiązania w zastosowaniach komercyjnych. Tymczasem rozważamy zaprojektowanie kompletnego urządzenia pomiarowego, licznika czasu i częstotliwości, opartego na nowoopracowanym przetworniku czas-cyfra.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Measurement” pod tytułem: „Subpicosecond resolution time interval counter with multisampling wave union type B TDCs in 28 nm FPGA device”.
Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 5.131.
*****
Dr inż. Paweł Kwiatkowski jest absolwentem Wydziału Elektroniki WAT. W 2016 r. uzyskał tytuł doktora broniąc pracy nt. wielokanałowego, scalonego licznika czas i częstotliwości w układzie FPGA. Jest autorem lub współautorem kilkunastu artykułów indeksowanych na liście filadelfijskiej, 2 patentów i licznych wystąpień na międzynarodowych konferencjach dotyczących metod i urządzeń pomiarowych oraz czasu i częstotliwości. Za swoją pracę badawczą został wyróżniony m.in. stypendium Ministra Edukacji i Nauki dla wybitnych młodych naukowców w 2022 r. Pełni funkcję zastępcy redaktora naczelnego czasopisma Metrology and Measurement Systems, wydawanego przez Polską Akademię Nauk. Był liderem zwycięskiego zespołu na międzynarodowym hackathonie FPGA w 2020 r., organizowanym przez firmę Nokia. Zespoły studentów pod jego opieką merytoryczną w kolejnych edycjach tych zawodów zajmowały odpowiednio III i V miejsce.