28 de abril de 2026
Muchos de los sistemas electrónicos más avanzados del mundo, incluidos enrutadores de internet, estaciones base inalámbricas, escáneres de imágenes médicas, y algunas herramientas de inteligencia artificial-depender de matrices de puertas programables en campo. chips de computadora con circuitos de hardware internos, el FPGA Se puede reconfigurar después de la fabricación.
El 12 de marzo, un Hito IEEE placa reconociendo al primero FPGA fue dedicado en el Microdispositivos avanzados campus en San José, California, el antiguo Xilinx sede y cuna de la tecnología.
La FPGA obtuvo la designación Milestone porque introdujo la iteración en diseño de semiconductores. Los ingenieros podían rediseñar el hardware repetidamente sin fabricar un nuevo chip, reduciendo drásticamente el riesgo de desarrollo y permitiendo una innovación más rápida en un momento en que los costos de los semiconductores aumentaban rápidamente.
La ceremonia, que fue organizada por el Sección IEEE del Valle de Santa Clara, reunió a profesionales de todo el industria de semiconductores y liderazgo IEEE. Los oradores del evento incluyeron Esteban Trimberger, un IEEE y ACM Miembro cuyas contribuciones técnicas ayudaron a dar forma a la arquitectura FPGA moderna. Trimberger reflexionó sobre cómo la invención permitió hardware programable por software.
Resolver el equilibrio entre flexibilidad y rendimiento de la informática
Los FPGA surgieron en la década de 1980 para abordar una limitación central en la informática. A microprocesador ejecuta instrucciones de software de forma secuencial, lo que lo hace flexible pero a veces demasiado lento para cargas de trabajo que requieren muchas operaciones a la vez.
En el otro extremo, circuitos integrados para aplicaciones específicas Son chips diseñados para realizar una sola tarea. Los ASIC logran una alta eficiencia pero requieren largos ciclos de desarrollo y costos de ingeniería no recurrentes, que son grandes inversiones iniciales. Los gastos incluyen el diseño del chip y su preparación para la fabricación, un proceso que implica la creación de diseños detallados, la construcción máscaras para las máquinas de fabricacióny establecer líneas de producción para manejar los pequeños circuitos.
“Los ASIC pueden ofrecer el mejor rendimiento, pero el ciclo de desarrollo es largo y el coste de ingeniería no recurrente puede ser muy alto”, afirma Jason Cong, miembro del IEEE y profesor de informática en la Universidad de California, Los Ángeles. “Los FPGA proporcionan un punto óptimo entre procesadores y silicio personalizado”.
El trabajo fundamental de Cong en el diseño de FPGA automatización y la síntesis de alto nivel transformó cómo reconfigurable Los sistemas están programados. Desarrolló herramientas de síntesis que traducen C/C++ en diseños de hardware, por ejemplo.
En el centro de su trabajo hay un principio subyacente adoptado por primera vez por el ingeniero eléctrico Ross Freeman: Al configurar el hardware utilizando memoria programable integrada dentro del chip, los FPGA combinan velocidad a nivel de hardware con la adaptabilidad tradicionalmente asociada con el software.
La arquitectura FPGA se originó a mediados de los años 1980 en Xilinx, una empresa de Silicon Valley fundada en 1984. La invención se atribuye ampliamente a Freeman, cofundador de Xilinx y director de tecnología de la startup. Imaginó un chip con circuitos que pudieran configurarse después de la fabricación en lugar de fijarse permanentemente durante la creación.
Artículos sobre el historia de la FPGA enfatizar que lo vio como una ruptura deliberada con lo convencional. diseño de chips.
En aquella época, los ingenieros de semiconductores trataban transistores como recursos escasos. Los chips personalizados se optimizaron cuidadosamente para que casi todos los transistores sirvieran para un propósito específico.
Freeman propuso un enfoque diferente. el calculó Ley de Moore pronto cambiaría la economía de los chips. El principio sostiene que el número de transistores aproximadamente se duplica cada dos años, lo que hace que la informática sea más barata y potente. Freeman planteó que como transistores llegara a ser abundante, la flexibilidad importaría más que la eficiencia perfecta.
Imaginó un dispositivo compuesto por lógica programable bloques conectados a través de enrutamiento configurable: un chip lleno de lo que describió como “puertas abiertas”, listas para ser definidas por los usuarios después de la fabricación. En lugar de fijar el hardware en silicio de forma permanente, los ingenieros podrían configurar y reconfigurar circuitos a medida que evolucionaran los requisitos.
Freeman a veces comparaba el concepto con una cinta de casete virgen: los fabricantes suministraban el medio, mientras que los ingenieros determinaban su función. La analogía captó un cambio profundo en quién controla la tecnología, desplazando la flexibilidad del diseño del hardware de fabricación de chips instalaciones a los propios diseñadores del sistema.
En 1985 Xilinx introdujo la primera FPGA para la venta comercial: la XC2064. El dispositivo contenía 64 bloques lógicos configurables (pequeños circuitos digitales capaces de realizar operaciones lógicas) dispuestos en una cuadrícula de 8 por 8. Los canales de enrutamiento programables permitieron a los ingenieros definir cómo se movían las señales entre bloques, cableando efectivamente un circuito personalizado con software.
Fabricado mediante un proceso de 2 micrómetros (lo que significa que 2 µm era el tamaño mínimo de las características que se podían modelar en silicio usando fotolitografía), el XC2064 implementó algunos miles puertas lógicas. Los FPGA modernos pueden contener cientos de millones de puertas, lo que permite diseños mucho más complejos. Sin embargo, el XC2064 estableció un flujo de trabajo de diseño que todavía se utiliza hoy en día: los ingenieros describen el comportamiento del hardware digitalmente y luego “compilan el diseño”, un proceso que traduce automáticamente los planos en las instrucciones que la FPGA necesita para configurar sus bloques lógicos y su cableado, según AMD. Luego, los ingenieros cargan esa configuración en el chip.
El gran avance: hardware definido por la memoria
Más temprano dispositivos lógicos programables, como la memoria de sólo lectura programable y borrable, o EPROM, permitían una personalización limitada pero dependían en gran medida de estructuras de cableado fijas que no escaló bien a medida que los circuitos se volvieron más complejos, dice Cong.
Los FPGA introdujeron interconexiones programables: redes de interruptores electrónicos controlados por celdas de memoria distribuidas por el chip. Cuando se enciende, el dispositivo carga una flujo de bits Archivo de configuración que determina cómo se comportan sus circuitos internos.
“A medida que la tecnología de procesos mejoró y el número de transistores aumentó, el costo de la programabilidad se volvió mucho menos significativo”, dice Cong.
De la “lógica del pegamento” a la infraestructura esencial
“Al principio, los FPGA se utilizaban como lo que los ingenieros llamaban lógica del pegamento”, dice Cong.
La lógica adhesiva se refiere a circuitos simples que conectan procesadores, memoria y dispositivos periféricos para que el sistema funcione de manera confiable, según Revista PC. En otras palabras, “pega” diferentes componentes, especialmente cuando las interfaces cambian con frecuencia.
Primeros usuarios reconoció la ventaja del hardware que podía adaptarse a medida que evolucionaban los estándares. En “La historia, el estado y el futuro de los FPGA”, publicado en Comunicaciones de la ACM, ingenieros de Xilinx y organizaciones como Laboratorios Bell, Semiconductores Fairchild, IBM, y Microsistemas solares dijo que los primeros usos de Los FPGA eran para crear prototipos de ASIC. También lo usaron para validar sistemas complejos ejecutando su software antes de la fabricación, lo que permite a las empresas implementar productos especializados fabricados en volúmenes modestos.
Esos usos revelaron un cambio más amplio: ya no era necesario que el hardware permaneciera fijo una vez implementado.
Los asistentes a la ceremonia de dedicación de la placa Milestone incluyeron (sentados de izquierda a derecha) 2025 Presidente del IEEE Kathleen Kramer, el presidente del IEEE 2024, Tom Coughlin, y el presidente de la Sección de Hitos del Valle de Santa Clara, Brian Berg. Douglas Peck/AMD
La economía de los semiconductores cambió la ecuación
El auge de los FPGA siguió de cerca a los cambios en la economía de los semiconductores, afirma Cong.
Desarrollar un chip personalizado requiere una gran inversión inicial antes de que comience la producción. A medida que aumentaron los costos de fabricación, los productos tuvieron que enviarse en grandes cantidades para fabricarlos. asico desarrollo económicamente viable, según una publicación publicado por Cualquier silicio.
Los FPGA permitieron a los diseñadores avanzar sin ese mayor compromiso monetario.
El desarrollo de ASIC normalmente requiere de 18 a 24 meses desde la concepción hasta el silicio, mientras que las implementaciones de FPGA a menudo pueden completarse en un plazo de tres a seis meses utilizando herramientas de diseño modernas, afirma Cong. El ciclo más corto y la capacidad de reconfigurar el hardware habilitado nuevas empresas, universidades y fabricantes de equipos experimentar con arquitecturas avanzadas que antes eran accesibles principalmente para las grandes empresas de chips.
Tablas de búsqueda y el auge de la informática reconfigurable
Una técnica popular para implementar funciones matemáticas en hardware es la tabla de búsqueda (LUT). Una LUT es un pequeño elemento de memoria que almacena los resultados de operaciones lógicas, según “LUT-LLM: Inferencia eficiente de modelos de lenguaje grande con cálculos basados en memoria en FPGA”, un artículo seleccionado para su presentación el próximo mes en la 34ª Simposio internacional IEEE sobre máquinas informáticas personalizadas programables en campo (FCCM).
En lugar de recalcular repetidamente los resultados, el chip recupera las respuestas directamente de la memoria. Cong compara el método de consultar las tablas de multiplicar en lugar de volver a calcular la aritmética cada vez.
La investigación dirigida por Cong y otros ayudó a desarrollar métodos eficientes para mapear circuitos digitales en arquitecturas basadas en LUT, dando forma a las estrategias de enrutamiento y diseño utilizadas en dispositivos modernos.
A medida que se ampliaron los presupuestos de transistores, los proveedores de FPGA integraron bloques de memoria, unidades de procesamiento de señales digitales, interfaces de comunicación de alta velocidad, motores criptográficosy procesadores integrados, transformando los dispositivos en plataformas informáticas versátiles.
¿Por qué los conjuntos de puertas son distintos de las CPU? GPUy ASIC
Los FPGA coexisten con otros procesadores porque cada uno optimiza diferentes prioridades. Las unidades centrales de procesamiento destacan en informática general. Gráficos Las unidades de procesamiento, diseñadas para realizar muchos cálculos simultáneamente, dominan grandes cargas de trabajo paralelas, como el entrenamiento de IA. Los ASIC brindan máxima eficiencia cuando los diseños permanecen estables y los volúmenes de producción son altos.
“Los ASIC pueden ofrecer el mejor rendimiento, pero el ciclo de desarrollo es largo y el costo de ingeniería no recurrente puede ser muy alto. Los FPGA proporcionan un punto óptimo entre los procesadores y el silicio personalizado”. —Jason Cong, miembro del IEEE y profesor de informática en UCLA.
“Los FPGA no reemplazan a las CPU o GPU”, afirma Cong. “Complementan esos procesadores en computación heterogénea sistemas”.
Las plataformas informáticas modernas combinan cada vez más múltiples tipos de procesadores para equilibrar la flexibilidad, el rendimiento y eficiencia energética.
Un hito para una idea, no sólo un dispositivo
Este Hito IEEE reconoce más que un producto semiconductor exitoso. También reconoce un cambio en la forma en que los ingenieros innovan.
El hardware reconfigurable permite a los diseñadores probar ideas rápidamente, perfeccionar arquitecturas e implementar sistemas mientras los estándares y los mercados evolucionan.
“Sin los FPGA”, afirma Cong, “el ritmo de innovación del hardware probablemente sería mucho más lento”.
Cuatro décadas después de que apareciera la primera FPGA, el legado perdurable de la tecnología refleja la idea de Freeman: no era necesario que el hardware permaneciera fijo. Al aceptar una pequeña cantidad de silicio no utilizado a cambio de adaptabilidad, los ingenieros transformaron chips de productos estáticos en plataformas para la experimentación continua, convirtiendo el propio silicio en un medio que los ingenieros podían reescribir.
Entre los que asistieron a la ceremonia del Milestone se encontraba el presidente del IEEE 2025. Kathleen Kramer; Presidente del IEEE 2024 Tom Coughlin; Avery Lu, presidente de la Sección IEEE del Valle de Santa Clara; y Brian Berg, historia y hitos catedrático de IEEE Región 6. se unieron El director ejecutivo de AMD, Lisa Su, y salil raje, vicepresidente senior y director general de adaptación y computación integrada en AMD.
El Placa de hito IEEE honrando la matriz de puertas programables en campo se lee:
“El FPGA es un circuito integrado con funciones lógicas booleanas programables por el usuario y interconecta. El inventor de FPGA, Ross Freeman, cofundó Xilinx para producir su invento de 1984, y en 1985 se presentó el XC2064 con 64 funciones lógicas programables de 4 entradas. Los FPGA de Xilinx ayudaron a acelerar un cambio dramático en la industria en el que las empresas “sin fábrica” podrían usar herramientas de software para diseñar hardware mientras involucraban a las empresas “fundidoras” para manejar la tarea intensiva en capital de fabricar el hardware definido por software”.
Administrado por el Centro de Historia IEEE y respaldado por donantes, el programa IEEE Milestone reconoce desarrollos técnicos destacados en todo el mundo que tienen al menos 25 años de antigüedad.
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Publicado originalmente en espectro.ieee.org el 28 de abril de 2026.
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