Der neue Chip, genannt FPAA-SoC (Field-Programmable-Analog-Array) benutzt eine von Digitalkomponenten unterstützte Analog- technologie, um den Stromaufwand und die Grösse signifikant zu reduzieren. Nach Ansicht der Forscher funktionieren derartige Analogchips mit ihrem besonders niedrigen Stromverbrauch genauso gut oder besser als konfigurierbare Digitalarrays. Professorin Jennifer Hasler von der Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering (ECE) leitet das Forschungsteam. Nach ihrer Ansicht werden Ingenieure, die mit FPGAs vertraut sind, feststellen, dass das Programmier-Interface des neuen Analogchips dem der Digital-ICs recht ähnlich ist.
Bisher wurde die Analogtechnologie in erster Linie für festverdrahtete Schaltungen verwendet, etwa Sensoren, die ein Interface zwischen den Digitalschaltungen und der realen Welt bilden. Analogschaltungen findet man auch oft in Elektronik, die den Leistungsverbrauch regelt und optimiert. Diese Einfunktionsschaltungen können keine softwarebasierenden Berechnungen durchführen. Das Team um Hasler entwickelte Techniken, die Berechnungen mit einer analogähnlichen physikalischen Architektur durchführen, durch die zuverlässige Platzierung von Elektronen in der Verbindungsstruktur des FPAAs.
Elektroneninjektionen und Elektronentunneleffekte
Ein Vorteil der FPAAs ist laut Hasler deren Nichtflüchtigkeit. Das ähnelt der Flash-Speichertechnologie. Die Verwendung von NV-Speichern verringert den Stromverbrauch – im Gegensatz zum höheren Stromverbrauch der typischen flüchtigen SRAM-Konfigurationen in FPGAs. Hasler: «Neben dem Vorteil der Nichtflüchtigkeit können wir mit unserer Analogarchitektur etwas Radikales tun: Wir führen mit der Routingstruktur des Chips Rechenfunktionen aus. Wir nutzen damit Chipbereiche, die normalerweise als totes Gewicht angesehen werden. Wir entwickelten hierfür hocheffiziente Schalter, die sich ‹Ein›, ‹Aus› oder ‹dazwischen› – partiell ‹Ein› und partiell ‹Aus› – programmieren lassen. Diese Flexibilität erhöht die Verarbeitungsvarianten und senkt den Stromverbrauch.»
Aktuelle FPAA-Chips funktionieren mit 30 mW. Das ist wesentlich weniger als das, was herkömmliche digital konfigurierbare Chips beanspruchen. Weitere Entwicklungen könnten den Leistungsbedarf in den Mikrowattbereich bringen. Um den Analogbereich des neuen Chips zu programmieren, manipulierten die Forscher die Elektronen auf präzise Weise. Mit Elektroneninjektionen und Elektronentunneleffekten löschte man Daten durch die Verringerung der Elektronenmengen an bestimmten Strukturstellen auf den geringsten Wert. Die Codierung neuer Daten erfolgt durch die Erhöhung der Elektronen in einer bestimmten Position auf einen ganz bestimmten Wert. Dieses komplexe Verfahren lässt eine hochdichte Chipstruktur zu, die viele Parameter bietet. Das bedeutet, dass es viele programmierbare Variablen mit zahlreichen unterschiedlichen Zuständen geben kann.
Eins und Null, aber auch Zwischenwerte sind möglich
Hasler: «Unser FPAA-Chip verfügt über rund 500 000 von diesen programmierbaren Parametern. Sie lassen sich wie ein Schalter auf digitale Weise aktivieren. Der geringste Wert steht dann für ‹Null› und der höchste Wert für die ‹Eins›. Oder aber wir erreichen noch mehr Verhaltensweisen mit Zwischenwerten.» Zum FPAA-Chip gehören einige wenige Digitalschaltungen, die die chipinterne Kommunikation und die Programmierinfrastruktur unterstützen. Hierzu entwickelte das Forscherteam höhere Programmiersprachentools (Scilab/Xcos).
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