ASIC+FPGA

ในช่วงก่อนทศวรรษ 1970 อุตสาหกรรมเซมิคอนดัคเตอร์ได้ถูกปลุกให้ตื่นตัวขึ้นหลังจากที่มีการประดิษฐ์วงจรรวมหรือไอซี ตัวแรกสำเร็จ ในยุคแรกนั้นไอซีขนาดเล็กหรือ SSI (Small-Scale Integration) ประกอบไปด้วยเกทดิจิตอลจำนวนไม่มาก นัก(ประมาณ 1 ถึง 10 ตัว) ต่อมาได้มีการเพิ่มปริมาณของเกทดิจิตอลและฟังก์ชันทางลอจิกให้มากขึ้นจนเป็น MSI (Medium- Scale Integration) การพัฒนาไอซีเป็นไปอย่างต่อเนื่องจนมาถึงยุคของ LSI (Large-Scale Integration) ซึ่งเป็นยุคที่มีการ สร้างไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกขึ้นและในปัจจุบันเป็นยุคของ VLSI (Very Large-Scale Integration) ซึ่งเทคโนโลยีในการ สร้างไอซีรุดหน้าจนสามารถสร้างไมโครโปรเซสเซอร์ขนาด 64 บิต ที่มีหน่วยความจำแคชกับหน่วยคำนวณทางคณิตศาสตร์ ของโฟล์ทติงพอยน์ (Floating-Point Arithmetic Units) รวมอยู่ภายในตัวมันและเนื่องจากการปรับปรุงเทคโนโลยี ของกระบวนการสร้างซีมอส ที่มีมาอย่างต่อเนื่องทำให้ขนาดของทรานซิสเตอร์ที่บรรจุอยู่ภายในไอซีมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จนบางคนโดยเฉพาะ ในญี่ปุ่นใช้คำว่า ULSI (Ultralarge Scale Integration) เพื่อใช้เรียกระดับของไอซีในปัจจุบันแต่คนส่วนมาก ยังมักนิยมเรียกเพียงแค่ VLSI

จากการปรากฏตัวของ VLSI ในช่วงทศวรรษ 1980 ทำให้วิศวกรเริ่มมีการออกแบบไอซีตามความต้องการของลูกค้าซึ่งใช้ใน ระบบที่เจาะจงนอกเหนือจากการใช้ไอซีมาตรฐานเพียงอย่างเดียว โดยไอซีเหล่านี้มีชื่อเรียกว่า ASIC :Application-Specific Integrated Circuit (ออกเสียงว่า เอ-ซิก) ซึ่งตัวอย่างของ ASIC ได้แก่ชิพไอซีที่ใช้ สำหรับตุ๊กตาของเล่นพูดได้ ดาวเทียม และ ชิพที่ภายในบรรจุด้วยไมโครโปรเซสเซอร์กับอุปกรณ์ทางลอจิกอื่นๆ

ประเภทของ ASIC

ASIC แบ่งเป็น 3 ประเภทใหญ่ๆ คือ Full-custom, Semi-custom และ Programmable ดังรูปที่ 1.1




รูปที่ 1.1 ประเภทของ ASIC


1. Full-custom
ASIC ประเภทนี้ลูกค้าจะเป็นผู้ออกแบบเซลล์ลอจิก (เช่น แอนด์เกท ออร์เกท มัลติเพล็กเซอร์ และฟลิบฟล็อบ) และลักษณะ การจัดวางอุปกรณ์บนตัวไอซีรวมถึงหน้ากากสำหรับควบคุมการเจือและสร้างชั้นสาร (Mask) ต่างๆ ที่ ใช้ในการทำไอซีเอง ดังนั้นค่าใช้จ่ายในการออกแบบและการผลิตจะสูงมาก

2. Semi-custom
ASIC ประเภทนี้เซลล์ลอจิกจะถูกออกแบบเอาไว้ก่อนแล้วในรูปแบบของไลบรารีและลูกค้าจะเป็นผู้ออกแบบ Mask ต่างๆเอง ตัวอย่างของไอซีประเภทนี้ได้แก่ Standard-Cell-Based ASIC และ Masked Gate-Array-Based ASIC

2.1 Standard-Cell-Based ASIC
ไอซีประเภทนี้จะมีพื้นที่สำหรับจัดวางเซลล์ลอจิกมาตรฐานซึ่งถูกออกแบบเอาไว้แล้ว ในบางครั้งเซลล์ มาตรฐานเหล่านี้จะถูกนำมาประกอบกันเป็นเซลที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรียกว่า Megacell สำหรับการออก แบบนั้นผู้ออกแบบจะทำเพียงแค่กำหนดตำแหน่งของเซลล์มาตรฐานและการเชื่อมต่อภายในของแต่ ละเซลล์เท่านั้นแต่อย่างไรก็ดีเซลล์ต่างๆ เหล่านี้สามารถวางที่ตำแหน่งใดๆ ก็ได้บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอน นั่นก็หมายความว่าชั้น Mask จะถูกจัดวางตามความต้องการของผู้ออกแบบ

2.2 Masked Gate-Array-Based ASIC
ไอซีชนิดนี้จะมีทรานซิสเตอร์หรือเกทถูกสร้างมาในลักษณะของอะเรย์สองมิติบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอน และผู้ออกแบบจะทำการออกแบบ Mask เพื่อใช้สำหรับกำหนดการต่อเชื่อมของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว

3. Programmable
ASIC ประเภทนี้เซลล์ลอจิกจะถูกออกแบบไว้ก่อนเช่นเดียวกับ Semi-Custom แต่ชั้นของ Mask จะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ตามความต้องการของผู้ออกแบบ ไอซีประเภทนี้ยังแบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ Programmable Logic Device (PLD) และ Field Programmable Gate Array (FPGA)


3.1 Programmable Logic Device (PLD)
มีโครงสร้างภายในเป็นวงจรพื้นฐานทางด้านลอจิกต่อกันอยู่เป็นกลุ่มซึ่งมีทั้งวงจรคอมบิเนชัน(Combination) และซีเควนเชียล (Sequential) สำหรับเทคโนโลยีของวงจรที่ใช้สร้าง PLD จะมีทั้ง TTL, ECL และ CMOS ตามความเหมาะสมของแต่ละระบบ ไอซี PLD ทุกชนิดมีหลักการพื้นฐานของวงจรภายในที่เหมือนกันโดยมี วงจรคอมบิเนชันที่เป็นผลคูณร่วม บวก (Sum of product)ประกอบไปด้วยชุดของแอนด์เกทต่อร่วมกับออร์ เกทและในการ โปรแกรมจะเป็นการเลือกว่าอินพุทภายในของแอนด์เกทกับสัญญาณอินพุทใดบ้างที่จะต้อง ต่อ ถึงกันซึ่งมีทั้งจากภายนอกและสัญญาณป้อนกลับจากเอาท์พุทภายในเอง เช่น การติดต่ออินพุทของออร์ เกทกับเอาท์พุทของแอนด์เกทตัวต่างๆ สำหรับการโปรแกรมทางกายภาพนั้นอินพุท ต่างๆ ของอุปกรณ์ทุกตัว จะถูกต่อผ่านฟิวส์เข้ากับแหล่งสัญญาณ ซึ่งถ้าไม่ต้องการใช้สัญญาณ ใดก็จะตัดฟิวส์ตัวนั้นทิ้งทำให้สามารถ โปรแกรมได้เพียงครั้งเดียว ไอซี PLD บางชนิดใช้ มอสทรานซิสเตอร์แทนฟิวส์ทำให้สามารถโปรแกรมโดย ใช้กระแสไฟฟ้าและสามารถลบแล้ว โปรแกรมเข้าไปใหม่ได้อีก สำหรับไอซีในตระกูล PLD ได้แก่ PROM, PAL, PLA และ EPLD




รูปที่ 1.2 วงจรพื้นฐานของ PLD ซึ่งอยู่ในรูปผลคูณร่วมบวก

3.1.1 PROM (Programmable Read Only Memory)
PROM คือหน่วยความจำประเภท ROM ซึ่งนับว่าเป็นไอซี PLD ชนิดหนึ่งซึ่งวงจรภายใน ของ PROM ประกอบไปด้วยอะเรย์ของแอนด์และออร์เกท (And - Or Array) ผลลัพธ์ที่ขา ดาต้าเอาท์พุทสามารถแสดงได้ในสมการของฟังก์ชันผลคูณร่วมบวก (Sum of product) ของสัญญาณอินพุทที่ขาแอดเดรส



รูปที่ 1.3 ลักษณะของ PROM เมื่อเปรียบเทียบเป็นวงจรในรูปผลคูณร่วมบวก

รูปที่ 1.3 แสดงถึงลักษณะการเชื่อมต่อแอนด์เกทและออร์เกทของ PROM ขนาด 16x4 บิต วงจรทางด้านซ้ายบนสุดเป็นแอนด์เกทจะให้ผลคูณ (Product) ของกรณีที่อินพุทเป็น0000 แอนด์เกทที่อยู่ถัดลงมาเป็นผลคูณของกรณีที่อินพุทเป็น 0001, 0010, ...จนถึงตัวล่างสุดคือ ผลคูณในกรณีที่อินพุทเป็น 1111 ซึ่งสำหรับ PROM ที่มีจำนวนอินพุท n ตัวจะมีค่าอินพุทที่ เป็นไปได้ทั้งหมดเท่ากับ 2n และค่าอินพุทเหล่านี้จะถูกจัดวางอยู่ในส่วนอะเรย์ของ AND ซึ่งไม่สามารถแก้ไขได้ แต่ในส่วนของ OR จะเป็นส่วนที่อนุญาตให้ทำการโปรแกรมได้ และเนื่องจากการที่ด้าน AND ของ PROM มีการคอมบิเนชันของอินพุทที่เป็นไปได้ทั้งหมด ดังนั้นผู้ออกแบบจึงไม่จำเป็นต้องทำการลดรูปของฟังก์ชันลอจิกที่ออกแบบไว้เลยแต่อย่าง ไรก็ดีการกระทำเช่นนี้อาจทำให้เกิดจำนวนวงจรที่ไม่มีประสิทธิภาพจำนวนมากบนตัว ชิพได้

3.1.2 PLA (Programmable Logic Array)
ลักษณะเด่นของ PLA คือสามารถโปรแกรมการเชื่อมต่อได้ทั้งทางด้าน AND และด้าน OR ทำให้มีความยืดหยุ่นในการใช้งานมาก แต่อย่างไรก็ดีข้อเสียที่เห็นได้อย่างชัดเจน ของ PLA คือความยุ่งยากในการสร้างและคุณสมบัติทางด้านความเร็วที่ลดลงเนื่องจาก สัญญาณจะต้องวิ่งผ่านอะเรย์ของ AND และ OR




รูปที่ 1.4 วงจรพื้นฐานภายในของ PLA


3.1.3 PAL (Programmable Array Logic)
PAL มีลักษณะโครงสร้างที่ใกล้เคียงกับ PROM และ PLA มาก แต่การโปรแกรม PAL จะสามารถทำได้เพียงด้าน AND เท่านั้น




รูปที่ 1.5 วงจรพื้นฐานภายในของ PAL

3.1.4 EPLD (Erasable Programmable Logic Device)
EPLD เป็นอุปกรณ์ที่สามารถทำการโปรแกรมได้หลายครั้งซึ่งเหมาะสำหรับการ ทำวงจรต้นแบบ สำหรับเทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างจะเหมือนกับ CMOS EPROM คือ ใช้มอสทรานซิส เตอร์เชื่อมต่อระหว่างสัญญาณอินพุทกับจุดที่ต้องการแทนการ ใช้ฟิวส์แบบเดิมทำให้สามารถโปรแกรมการต่อวงจรภายในอุปกรณ์ด้วยการจ่าย ไฟฟ้าตามขนาดที่กำหนดไว้และลบได้โดยใช้แสงอัลตร้าไวโอเลทฉาย ผ่านช่อง หน้าต่างกระจกของตัวชิพ


3.2 Field-Programmable Gate Array (FPGA)
เป็นอุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนมากกว่า PLD ไปอีกระดับหนึ่ง ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว PLD และ FPGA แตก ต่างกันน้อยมาก สำหรับ FPGA แล้วนับว่าเป็นอุปกรณ์ตัวใหม่ในตระกูลของ ASIC ซึ่งมีการเจริญเติบโตอย่าง รวดเร็วและมีบทบาทที่สำคัญในการเข้ามาแทนที่ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ TTL โครงสร้าง ภายในของ FPGA ประกอบไปด้วยอะเรย์ของลอจิกเกทต่างๆมากมาย ซึ่งในปัจจุบันความจุเกทภายใน ตัวชิพ FPGA ได้เพิ่มขึ้น จากระดับไม่กี่พันตัวจนถึงระดับล้านตัวซึ่งสามารถรองรับวงจรดิจิตอลที่มีความ สลับซับซ้อนได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ในด้านการออกแบบพัฒนาและทดสอบก็ทำได้ง่ายซึ่งในปัจจุบัน การออกแบบวงจรโดยใช้ FPGA กำลังเป็นที่นิยมและมีแนวโน้มที่จะนำมาใช้งานมากขึ้นเรื่อย


FPGA

ในปัจจุบันมี FPGA อยู่ 4 ชนิดที่วางขายอยู่ในท้องตลาดได้แก่ Symmetrical Array, Row-Based, Hierarchical PLD และ Sea-of-Gates ซึ่งแต่ละชนิดก็มีลักษณะการเชื่อมต่อภายในและการโปรแกรม ที่แตกต่างกันไป นอกจากนี้ในการแบ่งประเภทของ FPGA อาจแบ่งได้ตามเทคโนโลยีที่ใช้ในการโปรแกรม ซึ่งมีอยู่ 2 แบบคือ การโปรแกรมโดยการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของตัวชิพ และการโปรแกรม โดยการใช้หน่วยความจำ

1. การโปรแกรมโดยการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ

1.1 Fuse เป็นวิธีการโปรแกรมที่สามารถทำได้เพียงครั้งเดียว ซึ่งหลังจากที่โปรแกรมแล้วจุดเชื่อม ต่อจะขาดจากกัน
1.2 Anti Fuse เป็นวิธีการโปรแกรมที่คล้ายกับแบบ Fuse แต่ต่างกันที่หลังจากทำการโปรแกรม แล้วจุดเชื่อมต่อจะเชื่อมถึงกัน

2. การโปรแกรมโดยใช้หน่วยความจำ

2.1 EEPROM Based FPGA
FPGA ที่ใช้การโปรแกรมแบบนี้มักเรียกว่า CPLD ซึ่งเทคโนโลยีที่ใช้จะเหมือนกับ EEPROM ทำให้มีความจของเกทต่ำ โดยทั่วไปจะน้อยกว่า 20,000 เกท แต่ข้อดีของ EEPROM Based FPGA คือสามารถเก็บข้อมูลที่โปรแกรมลงไปได้โดยไม่จำเป็นต้องมีไฟเลี้ยง และในการโปรแกรมจะใช้ทรานซิสเตอร์ 1 ตัวต่อ 1 บิท ซึ่งการโปรแกรมสามารถทำได้ประมาณ 10,000 ครั้ง

2.2 SRAM Based FPGA
FPGA แบบนี้จะใช้เทคโนโลยีในการโปรแกรมเหมือนกับ SRAM (Static RAM) ทำให้สามารถ โปรแกรมซ้ำได้โดยไม่จำกัดจำนวนครั้ง นอกจากนี้ยังมีความจุของเกทในระดับปานกลางถึงสูงมาก (ประมาณ 10,000 - 1,000,000 เกท) ซึ่งข้อดีของ SRAM Based FPGA คือใช้เวลาในการ โปรแกรมน้อย (ระดับ nsec) การโปรแกรมทำได้ง่ายเทียบได้กับการเขียน SRAM ทั่วไป และ เหมาะสำหรับการออกแบบวงจรที่มีความสลับซับซ้อน ส่วนข้อเสียคือไม่สามารถเก็บโปรแกรมใน ภาวะที่ไม่มีไฟเลี้ยงได้ ดังนั้น FPGA ชนิดนี้จึงมักใช้ควบคู่กับ ROM เพื่อเก็บโปรแกรมและทำการ โหลดโปรแกรมลงในตัวชิพในขณะที่เริ่มต้นใช้งาน

โครงสร้างภายในของ FPGA

ลักษณะโครงสร้างภายในของ FPGA จะเป็นอะเรย์ของบล็อคลอจิกที่สามารถทำการโปรแกรมได้ดังรูปที่ 2.1 และ 2.2




รูปที่ 2.1 โครงสร้างภายในของ FPGA ตระกูล MAX7000S




รูปที่ 2.2 โครงสร้างภายในของ FPGA ตระกูล FLEX10K

ปัจจัยที่ทำให้การออกแบบ FPGA ทำได้ง่ายและสะดวกรวดเร็ว

1.ผู้ออกแบบไม่จำเป็นต้องทราบถึงโครงสร้างภายในของตัวชิพ เพียงแต่มีความรู้เกี่ยวกับขั้นตอนการออก แบบลอจิกก็เพียงพอแล้ว ต่างกับการใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ซึ่งจำเป็นต้องศึกษาโครงสร้างภายในรวมถึง ภาษา Assembly ของไมโครโปรเซสเซอร์ตัวนั้นด้วย

2.มีการออกแบบโดยใช้ภาษาในการอธิบายการทำงานของวงจร หรือ HDL (Hardware Description Language)เป็นเครื่องมือในการออกแบบ ซึ่งเป็นวิธีการที่มีความยืดหยุ่นสูง ทำได้รวดเร็ว และไม่จำเป็น ต้องทราบถึงลักษณะของวงจรที่ต้องการว่าจะเชื่อมต่อกันอย่างไร เพียงแต่กำหนดลักษณะการทำงานให้มัน จากนั้นตัวซอฟต์แวร์จะทำ Synthesis and Optimize ให้ทั้งหมด นอกจากนี้ภาษาที่ใช้ยังเป็นมาตราฐาน เดียวกันสามารถใช้ได้กับชิพทุกตัวและทุกบริษัท

3.การโปรแกรมสามารถทำได้เองและใช้เวลาไม่นาน เพียงแค่ส่งข้อมูลผ่านสายดาวน์โหลดทางพอร์ตของ คอมพิวเตอร์ก็สามารถโปรแกรมตัวชิพขณะที่อยู่ในระบบได้ โดยไม่จำเป็นต้องถอดมาโปรแกรมข้างนอก ดังรูปที่ 2.3 และที่สำคัญสามารถโปรแกรมได้หลายครั้ง จึงทำให้ง่ายในการแก้ไขและพัฒนาโดยไม่ต้องเสีย ค่าใช้จ่ายเพิ่มแต่อย่างใด




รูปที่ 2.3 การโปรแกรมลงในชิพ

การออกแบบโดยใช้ภาษาอธิบายพฤติกรรมของฮาร์ดแวร์

ในการออกแบบวงจรดิจิตอลนั้นสามารถทำได้โดยการวาดวงจร (Schematic) หรือใช้ภาษาอธิบายพฤติกรรม (Hardware Description Language) ของฮาร์ดแวร์ จากที่ได้กล่าวไปแล้วในบทที่ 1 ในกรณีของการออก แบบวงจรด้วย ASIC ชนิด Full Custom ผู้ออกแบบจะต้องเขียนวงจรด้วย Schematic จากนั้นจะนำวงจรที่ ออกแบบไว้ไปทำการจำลองการทำงาน (Simulate) ซึ่งหากผลออกมาเป็นที่พอใจก็จะต้อง Layout เป็นชั้นสาร และในการออกแบบ ASIC ชนิดนี้ผู้ออกแบบจำเป็นจะต้องทราบถึงเทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างด้วย หลังจากได้ Layout ที่สมบูรณ์แล้วจึงจะส่งไปเข้ากระบวนการสร้างไอซีหรือ Fabrication เพื่อสร้างเป็นชิพไอซีออกมา แต่ในการออกแบบวงจรด้วย FPGA โดยการใช้ Schematic หรือใช้ภาษาอธิบายการทำงานของวงจรจะทำ ได้สะดวกกว่า เนื่องจากวิธีการนี้ผู้ออกแบบไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงเทคโนโลยีที่จะใช้สร้างไอซีและที่สำคัญ การออก แบบโดยวิธีนี้สามารถแก้ไขโมเดล (Model) หรือเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีได้สะดวกกว่า เพราะไม่ต้องวาดวงจร ใหม่ นั่นคือการออกแบบโดยใช้ภาษาอธิบายฮาร์ดแวร์ จะทำให้โมเดลที่ได้ไม่ขึ้นกับเทคโนโลยีสำหรับภาษาที่ใช้ สำหรับอธิบายพฤติกรรมของฮาร์ดแวร์ที่ใช้กันก็มี VHDL, AHDL และ Verilog เป็นต้น ส่วนรายละเอียด ของขั้นตอนในการออกแบบสามารถอธิบายได้ดังนี้

1.การสังเคราะห์วงจร (Logic Synthesis)
ในขั้นตอนนี้จะใช้ซอฟต์แวร์ในการสังเคราะห์วงจร (Synthesis Tools) ทำการสังเคราะห์พฤติกรรม ของวงจรที่ได้จากการออกแบบด้วย Schematic หรือ VHDL ซึ่งต้องทำการตรวจสอบด้วยว่าซอฟต์แวร์ นั้นสนับสนุนเทคโนโลยี FPGA (FPGA Library) ที่ต้องการหรือไม่ ตัวอย่างเช่น FPGA ของบริษัท XILINX และบริษัท ALTERA จะมีซอฟต์แวร์หลายตัวที่สามารถใช้ได้ เช่น Max Plus II ในขั้นตอนนี้ ซอฟต์แวร์สังเคราะห์วงจรจะทำการแปลงโค้ด VHDL และทำการ Optimize เพื่อให้ได้วงจรตาม เทคโนโลยีที่เลือกใช้ในการสังเคราะห์วงจรนั้นวงจรระดับเกท (Gate Level) จะไม่เหมาะสมกับโครง สร้างที่มีอยู่ในอุปกรณ์ FPGA ดังนั้นในการ Optimize ซอฟต์แวร์สังเคราะห์วงจร จะต้องทำการ Optimize ให้ได้เป็นวงจรที่ประกอบ ด้วยกลุ่มของลอจิกที่เหมาะสมกับอุปกรณ์ FPGA นั้นๆจึงทำให้ผล ที่ได้มีประสิทธิภาพและในขั้นตอนการสังเคราะห์วงจรนี้ ผู้ออกแบบสามารถกำหนดข้อบังคับสำหรับโมเดล แต่ละตัวได้ เช่น ข้อบังคับในเรื่องเวลา (Timing Constraints) หรือข้อบังคับในเรื่องของพื้นที่ (Area) หรือกำหนดชนิดและตำแหน่งของ I/O ซึ่งข้อบังคับเหล่านี้จะถูกนำไปใช้ในขั้นตอน Optimize เพื่อให้วงจร ที่ได้เป็นไปตามที่กำหนด ส่วนสำคัญในการ Optimize คือการเทียบ (Mapping) โมเดลให้เข้ากับ เทคโนโลยีที่ใช้เพื่อให้ได้วงจรที่เหมาะสมกับโครงสร้างและสถาปัตยกรรมภายในอุปกรณ์ FPGA เมื่อทำ การสังเคราะห์วงจรเสร็จแล้ว ซอฟแวร์การสังเคราะห์วงจรก็จะมีการรายงานผลว่าโมเดลที่ออกแบบไปนั้น เป็นอย่างไร เช่นมีค่าความหน่วง (Delay) เท่าใด ใช้ทรัพยากรต่างๆใน FPGA อะไรบ้าง เมื่อมาถึงขั้น ตอนนี้ ผู้ออกแบบก็จะทราบว่าโมเดลเป็นไปตามข้อบังคับหรือไม่ ถ้าไม่ก็สังเคราะห์ใหม่จนกว่าจะเป็นไปตาม ที่กำหนด

2.การแบ่งวงจร (Partitioning)
ขั้นตอนนี้เป็นการแบ่งวงจรที่ได้จากการสังเคราะห์ เป็นส่วนย่อยๆ สำหรับลงใน CLBs, IOBs หรือองค์ ประกอบอื่นๆ ภายในอุปกรณ์ FPGA สำหรับเกณฑ์ที่ใช้ในการแบ่งคือให้แต่ละส่วนที่จะแยกออกจากกัน มีจำนวนสัญญาณที่เชื่อมต่อระหว่างกันน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อลดความหนาแน่นในตอนทำการเชื่อม ต่อสัญญาณ (routing) ในขั้นตอนนี้จะใช้ซอฟต์แวร์ทำโดยซอฟต์แวร์จะเทียบส่วนประกอบของวงจรเช่น เกท (gate), ฟลิป-ฟลอบ (flip-flop) ลงในทรัพยากรต่างๆ ที่มีอยู่ในอุปกรณ์ FPGAหลังจากทำขั้นตอน นี้เสร็จแล้วผู้ออกแบบสามารถที่จะทราบว่าวงจรใช้จำนวนทรัพยากรภายในอุปกรณ์ FPGA ไปเท่าไร ส่วนข้อมูลทางเวลานั้นผู้ออกแบบจะทราบเฉพาะความหน่วงภายในแต่ละส่วนเท่านั้น หรือที่เรียกว่าความ หน่วงลอจิก(logic delay) ส่วนซอฟต์แวร์จะรวมเอาซอฟต์แวร์ย่อยอื่นๆ อีก เพื่อให้การทำ PPR (Partitioning Placement & Routing) เป็นไปอย่างต่อเนื่อง

3.การวางอุปกรณ์ (Placement)
ขั้นตอนนี้เป็นการเลือกทำเลที่ตั้งของแต่ละส่วนของวงจรที่ผ่านการแบ่งวงจร (Partitioning) มาแล้วว่าควร จะอยู่ ณ ตำแหน่งไหนในอุปกรณ์ FPGA เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ดีที่สุด เช่นวงจรส่วนไหนควรอยู่ใกล้กัน เพื่อจะ ได้ค้นหาเส้นทางได้ (route) ง่ายหรือช่วยลดความหน่วง จะเห็นได้ว่าตำแหน่งภายในอุปกรณ์ FPGA นั้นมี ความสำคัญเพราะถ้าจัดวางวงจรลงในตำแหน่งที่ไม่เหมาะสมแล้วจะทำให้ความหน่วงเพิ่มขึ้นหรือ Router ทำการค้นหาเส้นทางสัญญาณไดไม่หมด การวางอุปกรณ์ที่ดีควรวางส่วนต่างๆให้อยู่ใกล้กันโดยเฉพาะส่วน ที่มีการเชื่อมต่อสัญญาณด้วยกันนอกจากนั้นการกำหนดตำแหน่งขา I/O (I/O pin) ตามตำแหน่งขา I/O ของ FPGA บนแผ่น PCB ก็จะมีผลโดยตรงเลยคือซอฟต์แวร์จะวาง I/O ลงในตำแหน่งที่ผู้ออกแบบกำหนด ซึ่ง บางครั้งตำแหน่งที่กำหนดไปไม่เหมาะสม ดังนั้นการกำหนดขา I/O ควรกำหนดตำแหน่งให้เหมาะสม หรือ ไม่ก็ให้ซอฟต์แวร์จัดการเอง

4.การเชื่อมต่อสัญญาณ (Routing)
ในขั้นตอนนี้เป็นการเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ภายในอุปกรณ์ FPGA ขั้นตอนนี้จะทำ ต่อเนื่องจากการวางอุปกรณ์ ในกรณีที่ทำการวางอุปกรณ์ไว้ไม่ดีซอฟต์แวร์ก็จะทำการเชื่อมต่อสัญญาณ ได้ไม่หมด (เนื่องจากจำนวนทรัพยากรสำหรับเชื่อมต่อสัญญาณนั้นมีอยู่จำกัด) หรือเกิดความหน่วงเกิน ค่าที่กำหนดในข้อบังคับ ผู้ออกแบบสามารถทำขั้นตอนนี้ได้โดยใช้ซอฟท์แวร์หรือผู้ออกแบบจะทำการ เชื่อมต่อสัญญาณด้วยตนเองก็ได้ แต่ทางที่ดีควรใช้ซอฟต์แวร์ทำดีกว่า นอกจากนั้นการกำหนดข้อบังคับ ทางเวลา จะช่วยให้ผลที่ได้จากการเชื่อมต่อสัญญาณดีขึ้นได้

5.ความหน่วงด้านเวลา (Delay)
ในการทำ FPGA นั้นความหน่วงที่เกิดขึ้นเป็นความหน่วงที่เกิดจากการวางตำแหน่ง (layout) ของอุปกรณ์ ซึ่งผู้ออกแบบไม่สามารถเข้าไปแก้ไขได้ แต่สามารถทำให้มีความหน่วงน้อยที่สุดได้ สำหรับความหน่วง ที่เกิดขึ้นนั้นแยกได้เป็นสองประเภทคือ

ความหน่วงลอจิก (Logic delay) เป็นความหน่วงภายในองค์ประกอบของอุปกรณ์ FPGA เอง
ความหน่วงที่เกิดจากการเชื่อมต่อสัญญาณ (Routing delay)
เป็นความหน่วงที่เกิดจากการเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างองค์ประกอบภายในอุปกรณ์ FPGA โดยปกติแล้ว ค่าความหน่วงลอจิกไม่ควรเกิน 50% ของค่าความหน่วงที่ยอมรับได้ เพราะความหน่วงที่เกิดจากการ เชื่อมต่อสัญญาณมักจะมีค่ามากกว่าค่าความหน่วงลอจิก ดังนั้นในการวางอุปกรณ์ และเชื่อมต่อสัญญาณ ผู้ออกแบบควรกำหนดข้อบังคับทางเวลาเพื่อให้ ซอฟต์แวร์ได้ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น และเพื่อ ให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นค่าความหน่วงที่ได้หลังจากการวางอุปกรณ์ และเชื่อมต่อสัญญาณแล้วจะมีค่าความ หน่วงที่ค่อนข้างแน่นอน ซึ่งผู้ออกแบบสามารถทราบได้ว่าโมเดลที่ออกแบบนั้น เป็นไปตามข้อกำหนด หรือไม่

6.การจำลองการทำงานของวงจร (Simulation)
ในขั้นตอนนี้เป็นขั้นตอนที่สำคัญอีกขั้นตอนหนึ่ง เพราะเป็นขั้นตอนที่ผู้ออกแบบตรวจสอบฟังก์ชันการ ทำงานของโมเดลว่าถูกต้องหรือไม่ มีข้อผิดพลาดตรงไหนเพื่อจะได้ทำการแก้ไขให้ถูกต้อง ในขั้นตอนนี้ จะมีซอฟต์แวร์ที่ใช้สำหรับทำการจำลองการทำงานของวงจรที่ใช้อยู่ เช่น Model Sim ของบริษัท Model Technology หรือ Max Plus II ของบริษัท Altera ในการจำลองการทำงานของวงจร ควรทำทุกครั้งหลังจากที่มีการทำแต่ละขั้นตอนหลักเสร็จแล้ว เพื่อจะได้ทราบว่าข้อผิดพลาดของโมเดล เกิดขึ้นตอนไหน จะได้แก้ไขข้อผิดพลาดตรงขั้นตอนนั้นๆ ได้เลย ไม่ต้องมาคอยตรวจหาขั้นตอนที่ทำให้ เกิดข้อผิดพลาด นั่นคือการทำการจำลองการทำงานของวงจร ต้องทำทั้งหลังการเขียนโค้ด, การสังเคราะห์วงจร และการทำ PPR การจำลองการทำงานของวงจรหลังจากที่เขียนโค้ดเสร็จแล้วนั้น ผู้ออก แบบสามารถทราบได้แค่โมเดลทำงานถูกต้องหรือไม่เท่านั้น (functional test) ยังไม่สามารถตรวจ สอบการทำงานในเชิงเวลาได้ถูกต้อง ในการจำลองการทำงานของวงจรหลังจากที่สังเคราะห์เป็นวงจร แล้ว เพื่อจรวจสอบว่าฟังก์ชันการทำงานยังคงถูกต้องหรือไม่ และค่าความหน่วงที่เกิดขึ้นเป็นไปตาม ข้อบังคับหรือไม่ มีข้อผิดพลาดเกิดขึ้นหรือไม่ถ้ามีจะแก้ไขให้ถูกต้อง

ในการจำลองการทำงานของวงจรหลังจากที่ทำการวางอุปกรณ์ การเชื่อมต่อสัญญาณ (post layout simulation) แล้วก็มีความสำคัญเช่นกันเพราะผลที่ได้จากการจำลองการทำงานของวงจรในตอนนี้ จะเป็นผลลัพธ์ของโมเดลเลย ซึ่งผู้ออกแบบนอกจากจะตรวจสอบฟังก์ชันการทำงานแล้วยังต้อง ตรวจสอบคุณสมบัติอื่นๆ เช่น ความหน่วงที่ได้จากการทำ PPR ในรูปแบบค่าความหน่วงมาตรฐาน (Standard Delay Format : SDF) ว่าตรงตามที่กำหนดหรือไม่ หรือตรวจสอบว่าวงจรรวม สามารถใช้งานที่ความถี่สูงสุดเท่าไรนั่นเอง ในการจำลองการทำงาน ของวงจรควรใช้ ซอฟต์แวร์ตัวเดียวกันตอลดเพื่อจะได้เปรียบเทียบผลที่ได้จากขั้นตอนต่างๆ

7.การโปรแกรมอุปกรณ์ FPGA (Configuration)
หลังจากที่โมเดลผ่านขั้นตอนต่างๆ จนกระทั่งผ่านการทำ PPR (Partitioning, Placement & Routing) แล้วนั้น ถึงตอนนี้ก็สามารถที่จะดาวน์โหลด (download) ลงในอุปกรณ์ FPGA ได้แล้ว ในการดาวน์โหลดนี้ก่อนอื่นต้องแปลงแบบวงจรรวมที่ได้เป็นข้อมูลวงจร (configuration data) ซึ่งอยู่ในรูปของบิตสตรีม (bit stream) ก่อนแล้วจึงดาวน์โหลดลงไปเพื่อให้อุปกรณ์ FPGA มี ฟังก์ชันการทำงานตามโมเดลที่ผู้ออกแบบต้องการ ซึ่งในขั้นตอนนี้จะใช้วิธีที่แตกต่างกันออกไปสำหรับ อุปกรณ์ FPGA ของแต่ละบริษัทผู้ผลิตคือ ในกรณีที่เป็นอุปกรณ์ FPGA ชนิดที่ต้องโปรแกรมโดย วิธี SRAM นั้น ในการใช้งานผู้ออกแบบจะต้องเก็บข้อมูลวงจรไว้ในหน่วยความจำประเภท EPROM หรือ serial PROM ด้วยเพื่อจะใช้งานสะดวกขึ้น คือในการใช้งานโมเดลครั้งต่อไปไม่ ต้องดาวน์โหลดข้อมูลวงจรจากเครื่องคอมพิวเตอร์อีก เพราะมีข้อมูลวงจรเก็บอยู่ในหน่วยความจำอยู่ แล้ว แต่กรณีที่อุปกรณ์ FPGA เป็นชนิดที่โปรแกรมโดยใช้วิธี EPROM หรือ Anti fuse ก็ไม่จำ เป็นต้องมีหน่วยความจำสำหรับเก็บข้อมูลวงจร เพราะว่าอุปกรณ์ FPGA ชนิดนี้เมื่อดาวน์โหลดข้อมูล วงจรลงไป ข้อมูลที่ดาวน์โหลดลงไปก็ยังคงอยู่ในอุปกรณ์ FPGA และครั้งต่อไปก็ใช้งานโมเดลที่ออก แบบไว้ได้เลย

เครื่องมือสำหรับการออกแบบ FPGA

จะเห็นได้ว่าการออกแบบเพื่อทำ FPGA นั้นทำได้สะดวกกว่า ASIC มากเพราะใช้เวลาน้อยกว่ามากด้วย ส่วน สำคัญที่ใช้ในการทำ FPGA คือ ซอฟต์แวร์ที่ใช้ตั้งแต่เขียนโค้ดอธิบายฮาร์ดแวร์จนกระทั่วดาวน์โหลดลงใน อุปกรณ์ FPGA ซึ่งซอฟต์แวร์ที่ใช้ต้องเป็น ซอฟต์แวร์ที่ทำงานต่อเนื่องกันได้ สำหรับซอฟต์แวร์ที่ใช้ทำการ จำลองการทำงานของวงจรนั้น ต้องสามารถใช้งานต่อเนื่องกับซอฟต์แวร์ที่ใช้ทั้งระบบ เพราะโมเดลที่ได้จาก การทำขั้นตอนต่างๆ (ด้วยซอฟต์แวร์ ต่างๆ ต้องเอามาจำลองการทำงานได้ และในการจำลองการทำงานของ วงจรควรใช้ซอฟต์แวร์ตัวเดียวกันตลอดทั้งระบบ เพื่อจะได้เปรียบเทียบผลได้ง่าย ในอดีตซอฟต์แวร์ส่วนใหญ่ จะใช้งานอยู่บนคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูงอย่างเวิร์คสเตชั่น (Workstation) ในปัจจุบันมีการพัฒนาซอฟต์แวร์ ที่ใช้บนพีซี (PC) มากขึ้นซึ่งสามารถลดค่าใช้จ่ายในด้านอุปกรณ์คอมพิวเตอร์