VHDL & Verilog… ¿Cuál debo usar?

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por Jorge Tonfat

Vhdl y Verilog son los HDL’s (Hardware Description Languages) más difundidos actualmente. Ambos son estándares en la industria de ASICs y FPGAs. Ambos poseen sus respectivos estándares IEEE. Existe aún hasta el día de hoy una discusión sobre cual es mejor o cual debería ser el que un estudiante debería aprender primero. Douglas Smith, autor del libro HDL Chip design, publicó un artículo [1] en 1996 donde muestra algunas semejanzas y diferencias de éstos dos lenguajes. Debido a la fecha de la publicación, el autor no contempla las características del Verilog 2001, por lo tanto algunas de sus afirmaciones podrían no ser ciertas en la actualidad. A continuación mostraré un pequeño resumen de ese artículo.
Hay dos aspectos para modelar hardware que todo lenguaje de descripción de hardware debe brindar: verdadera abstracción comportamental y estructural. A continuación se muestra una serie de características que tienen el VHDL y el Verilog.

Capacidad de abstracción

El hardware estructural es modelado eficientemente por el VHDL y el Verilog. Cuando se modela hardware abstracto, la capacidad del VHDL solo puede ser alcanzada por Verilog usando PLI (una extensión del lenguaje). Entonces la elección de usar uno u otro no está en lo técnico sino más bien en preferencias personales, disponibilidad de la herramienta EDA, cuestiones comerciales o de negocios.
El modelamiento en VHDL y Verilog cubren casi el mismo espectro a través de los diferentes niveles de abstracción, ver figura 1.

 

 

Figura 1. Capacidad de modelamiento [1].

Tipos de datos

VHDL: Se permite el uso de tipos de datos definidos por el lenguaje y por el usuario. Esto significa que se necesitan funciones para convertir objetos de un tipo a otro. Esto permite que los modelos sean más fáciles de escribir y leer.
Verilog: A diferencia del VHDL, los tipos de datos son más simples y están orientados al modelamiento en hardware. Todos están definidos por el lenguaje. Verilog podría ser preferido por su simplicidad.

Operadores

Ambos poseen similar número de operadores, aunque Verilog posee unos operadores de reducción unitarios muy útiles, estos permiten reducir un vector de bits a un solo bit utilizando algún operador lógico (ejem. AND).
Si desean averiguar otras diferencias y semejanzas pueden descargar la versión original del artículo publicado en el IEEE ACM Design Automation Conference de 1996.
Si desean averiguar más sobre Verilog este enlace es muy interesante.[2]

[1] Douglas J. Smith, “VHDL & Verilog Compared & Contrasted – Plus Modeled Example Written in VHDL, Verilog and C.,” Design Automation Conference, vol. 0, no. 0, pp. 771-776, 33rd Annual Conference on Design Automation (DAC’96), 1996.
[2] http://www.asic-world.com/verilog/index.html

DISEÑO DE UNA INTERFASE CON LABVIEW PARA EL CONTROL DE UNA BOMBA DE JERINGA MODULAR

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Por Frank Maldonado Huayaney

Actualmente vivimos en un mundo donde las especialidades dependen mutuamente de otras para su desarrollo, éste es el caso de la química y de la electrónica donde cada vez se tienen equipos de alta tecnología que facilitan a los investigadores la obtención de datos más precisos. Este es el motivo que nos impulsó a desarrollar el proyecto de implementación de una interface con labview para el control de una bomba de jeringa modular.
El programa de Labview es un software de programación gráfica que posee funciones prediseñadas muy importantes en las áreas de transmisión de datos, matemática, control entre otros que facilitan la programación.
En la investigación de biosensores, las sustancias químicas necesitan ser mezcladas con medidas en unidades de micro litros exactamente y a una velocidad determinada. Para ello se necesitan equipos de alta precisión y de un software que sea de fácil uso a cualquier usuario que no tenga conocimientos de programación ni de electrónica.
Tomando en consideración estas necesidades, así como la utilidad del software Labview se desarrollo una interface amigable, implementando una comunicación serial RS232 para transmitir las instrucciones a una bomba peristáltica.

El programa convierte instrucciones de fácil uso para el usuario a caracteres ASCII sólo entendidas por la bomba. Para la facilitar al usuario las instrucciones se agrupan en tareas. Dentro de una instrucción, por ejemplo, podemos decir que se vacíe 30 uL de un reactivo X a un recipiente y luego otro reactivo Y a una velocidad muy lenta. La unión de tareas da como resultado un experimento. Así mismo en el programa se puede indicar el número de veces que se quiere repetir el experimento, esto es importante ya que dentro de la química los resultados se tienen que verificar varias veces para obtener un promedio. Adicionalmente el programa tiene una alarma que indica la culminación del proceso permitiendo que el usuario realicé otras actividades y simplemente regresar cuando haya culminado. Con este software se pueden controlar más de una bomba ya que en la mayoría de experimentos 6 canales (los que trae este modelo de bomba) no son suficientes para los reactivos.

Este proyecto fue implementado en el Centre de Phytopharmacie de la Université de Perpignan (Francia) en conjuntos con investigadores de la Pontificia Universidad Catolica del Perú (Grupo de microelectronica), investigadores de importantes universidades de Mexico, España, Francia e Italia. Actualmente el proyecto sigue funcionando y pertenece a la red AlfaBiosenintg. Proyectos como éste muestra que con el trabajo conjunto de distintas especialidades y la colaboración entre distintos países se pueden lograr importantes proyectos de investigación que contribuyan con la industria.

 

Quantum-dot Cellular Automata (QCA)

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QCA es una tecnología de varias que buscan ser una opción de reemplazo para la tecnología CMOS que se ha mantenido gracias a sus propiedades de escalabilidad entre otras. Lamentablemente a medida que se reduce el tamaño de los transistores aumentan los problemas de corrientes de fuga a través del óxido de la puerta. A diferencia, los QCA mejoran su funcionamiento cuando se hacen más pequeños.

Los quantum-dots son como pozos en donde los electrones quedan atrapados y no pueden salir a menos que se les de la energía suficiente. Cada celda QCA posee cuatro quantum-dots, ordenados en forma de cuadrado en donde los electrones, aprovechando el efecto túnel, pueden pasar de un quantum-dot a otro. También posee dos electrones extras, que estan ubicados generalmente de forma diagonal dentro del arreglo de quantum-dots, y que representan los valores logicos “0” y
“1”.

Dada la forma de las celdas, al colocar varias juntas, la polarización de una afecta a las de su entorno sicronizándolas, lo que nos permite construir distintos elementos lógicos y cables. En el caso de los cables la nueva polarización se copia de celda a celda aunque también se puede formar una cadena inversora girando el arreglo 45 grados, en donde el valor se invierte en cada celda. Una ventaja es que se pueden cruzar una cadena inversora y un cable sin alterar los valores que viajan por ambas, lo que nos facilita la labor de ruteo. Otra es que con cinco celdas se pueden construir una compuerta AND, una OR o la funcion mayoría.

Las celdas requieren un reloj para funcionar, el cual les permite cambiar de estado en alta y comportarse como latch en baja. Se utilizan cuatro relojes, cada uno desfasado 90 grados, para mantener el flujo de datos a través de las celdas en cuatro estados: bajando, en baja, subiendo y en alta. Además, no se necesita alimentación aparte de la generada por los relojes.

En cuanto a la implementación, se puede lograr de varias maneras pero no han sido completamente desarrolladas. La que podemos resaltar es la de semiconductores, actualmente utilizada para hacer chips, aunque todavía no se ha llegado al tamaño minimo requerido para poder producir dispositivos con QCAs que trabajen a temperatura ambiente.

Actualmente hay programas para diseñar circuitos con QCAs y que permiten simular el funcionamiento como QCADesigner.

 

Ricardo Gallegos Dextre

http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_dot_cellular_automata
http://qcadesigner.ca/tutorials/QCATutorial.html

FPGA’s: Definición, usos y beneficios

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Definición

El término FPGA (Field Programmable Gate Array) hace referencia a dispositivos lógicos programables de propósito general. Como su nombre lo dice se basa en un arreglo de bloques compuertas y su funcionamiento se basa en la posibilidad de configurar la interconexión entre dichos bloques, para de esta manera poder describir el comportamiento de prácticamente cualquier circuito digital.

Usos

Hoy en día, luego de realizar la ardua labor de diseñar un circuito digital y comprobar que todo funciona correctamente en las simulaciones, viene el siguiente y no menos arduo paso, comprobar que todo funciona correctamente en un circuito físico. En este punto hay varios caminos, mandar a fabricar el circuito integrado, lo cual es una buena idea, o implementar tu diseño en un FPGA, lo cual es sumamente más barato y versátil. Bastará con unas decenas de clics y tendrás tu circuito listo para probarlo.

Las aplicaciones de un FPGA son muy diversas, si diseñas un circuito que va a ser producido a gran escala puedes usar estos módulos para tus etapas de prueba y depuración de errores en hardware, y si tu pasión es diseñar y lo haces por diversión o solo requieres implementar una pequeña cantidad puedes usar FPGA’s. Los hay de muchas velocidades y cantidades de componentes según lo que se ajuste a tus necesidades, lo cual permite hacer desde diseños sencillos, hasta circuitos mucho más complejos.

Ventajas

Entre las ventajas de estos dispositivos tenemos la posibilidad de poder usarlos una y otra vez para implementar nuestros diseños, la versatilidad de poder implementar prácticamente cualquier circuito en ellos. A pesar de ser un dispositivo programable dispone de una gran cantidad de compuertas (más de 330K de celdas lógicas en la Virtex-5 y más de 680K, en el caso de la Stratix IV) y puede trabajar a grandes velocidades

(hasta 550Mhz de clock en la Virtex-5 y hasta 600Mhz en el caso de la Stratix IV, por citar dos de los FPGA’s más potentes en el mercado). Es por esto que para aplicaciones de testeo de circuitos o producción de muy bajas cantidades los FPGA’s son la mejor solución.

 

Lezter Romero Torres

Imagenes tomadas de:

http://www.ufps.edu.co/materias/uelectro/htdocs/pdf/fpga.pdf
http://www.altera.com/products/devices/stratix-fpgas/stratix-iv/stxiv-index.jsp
http://www.xilinx.com/products/virtex5/
http://www.dataweek.co.za/news.aspx?pklNewsId=23549&pklCategoryID=35
http://electronicdesign.com/Articles/ArticleID/17202/17202.html
http://www.fpga4fun.com/TextLCDmodule.html

EAMTA 2008

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EAMTA 2008 – IDME

El pasado mes de septiembre tuve la oportunidad de asistir a la 3era EAMTA realizada esta vez en Buenos Aires, Argentina, en las instalaciones del Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) y en la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA).

La escuela se dividió en 3 tracks:
Básico: clases de Física del MOSFET, VLSI, Diseño Analógico y Herramienta EDA (en este caso, fue la herramienta Tanner), además de la realización de un proyecto que consistía en el diseñar (hacer el Layout) un sumador completo de 4 bits.
Avanzado 1: Clases de Filtros Gm-C, Bajo consumo, Bajo Ruido y Capacitores conmutados.
Avanzado 2: Sensores, MEMs, Laboratorio de Microsistemas y PDMS; todas estas actividades realizadas en laboratorios.

No profundizaré mucho en este tema puesto que, el año pasado, otros miembros del grupo asistieron a la EAMTA 2007.

Otras de las actividades que se realizaron fueron las Plenarias, la Presentación de proyectos bajo la modalidad de Pósters y el llamado Día de la Industria (este último, tema central de este post)

Sobre las plenarias destacaron las de los Drs. Silveira (Filtros gm-C), Arnaud (Bajo Ruido) y Andreu (Nanosoccer). Sobre este último, sólo diré que fue bastante llamativo cómo personas como el Dr. Andreu toman como “pasatiempo” (sin ánimo despectivo) a la Microelectrónica; aunque en este caso, sería Nanoelectrónica. Mayor información Robosoccer 2007.

El Día de la Industria

Este fue el evento que quizás más me llamó la atención por la seriedad y compromiso con que vienen viendo a la Microelectrónica en Argentina. Esta actividad se puede resumir en que los organizadores de las diferentes EAMTAs se presentaban ante la industria, antes las empresas.

Desde hace varios años, ellos están con la idea de formar un Instituto de Microelectrónica allá, un lugar en donde se formen diseñadores y desarrolladores al cual las empresas puedan (por no decir “deban”) acudir cuando presenten alguna necesidad. Ellos, la gente que integraría el IDME (Instituto de Microelectrónica), en base a su experiencia y tiempo, han estado buscando recursos desde hace varios años, involucrando sobremanera al Gobierno Argentino, y, a manera de prueba que es como yo lo veo, han venido realizando las EAMTAs para ver el impacto y la respuesta, principalmente en Argentina, de las personas hacia la Microelectrónica. Y la respuesta ha sido bastante favorable.

Esto último lleva a preguntarme sobre qué es lo que nos falta para poder desarrollar la Microelectrónica en Perú. Las respuestas, lamentablemente, son varias, entre las cuales destacan el factor tiempo y respaldo; con respaldo me refiero a que personas con experiencia puedan comprometerse en un proyecto de tal magnitud, también respaldo económico y el impulso que pueda dar, en menor o mayor medida, el Gobierno Peruano con el fin de poder empezar a desarrollar este tipo de tecnología en el país. Sé que me escapan muchos otros factores, pero al menos, trato de listar los más saltantes.

Como conclusión, EAMTA no sólo me dejó conocimientos académicos, sino una visión, que lamentablemente no se logra -en muchos casos- sino sólo cuando sales del país, de hacia dónde apuntamos, y la verdad es que esto me motiva más; motiva el comprobar cómo es la investigación en otros lados y cómo es que, desde sólo ideas y buena voluntad, con trabajo y esfuerzo, se pueden lograr grandes cosas. Claro que algo así no se logra de la noche a la mañana, demanda tiempo, pero al menos, es algo para pensarlo. ¿Puede hacerse? Sólo nosotros lo sabemos.

César Vásquez Vargas

Biología y microelectrónica: complementos perfectos

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Hay una tecnología emergente que, combinando moléculas orgánicas con microelectrónica promete crear nuevos aparatos con nuevas capacidades.
Estos híbridos miniaturizados tienen diversas aplicaciones en el campo de la medicina así como en aplicaciones con sensores, en procesamiento y almacenamiento de información. Se trata de los biochips que son dispositivos que pueden realizar millones de reacciones biológicas por segundo así como los microchips de las computadoras pueden realizar millones de operaciones matemáticas en ese tiempo y surgieron a partir de la utilización de técnicas microelectrónicas en la formación de chips de alta densidad de integración hechos con material biológico en una oblea de silicio, cristal o plástico.
A pesar de ser una tecnología muy reciente y que, por lo tanto, está aún en vías de experimentación, actualmente los biochips están siendo aplicados en:

Ciencias biológicas y medicina:
Se ha usado principalmente en la monitorización y secuenciación de la expresión genética, detección de mutaciones y polimorfismos, así como en el diagnóstico clínico. Esto tiene una aplicación directa en la medicina preventiva ya que permite tomar acciones antes de que los síntomas de alguna enfermedad aparezcan.
Además se está investigando el uso de bacteriorodopsina para hacer una retina artificial, que a diferencia de una cámara de televisión, sólo transmitiría cambios. Esta es la aproximación que utilizan las cosas vivas y ayuda a explicar porqué los depredadores dependen del movimiento para seguir a sus presas. Trasmitir solo cambios es más fácil computacionalmente que enviar escenas completas. Por lo tanto una retina artificial podría encontrar uso en visión robótica así como podría ser una prótesis para humanos.

Computación
Se ha estado investigando la forma de utilizar la proteína bacteriorodopsina (encontrada en bacterias de agua salada) en memoria óptica para computadoras. La proteína cambia su estructura cuando es expuesta a la longitud de onda de luz apropiada. Este cambio puede ser visto de tal manera que los datos pueden ser escritos y leídos ópticamente. Tales memorias basadas en proteínas son más lentas hoy que las basadas en semiconductores, pero han tenido un avance significativo.
Además de ser usados como memoria de computadoras los biochips pueden ser usados como computadoras propiamente. En efecto, el ADN está siendo usado para esta tarea.
También se está trabajando para juntar neuronas con dispositivos de semiconductores. El desafío es mantener ambos, células y semiconductores, funcionando ya que la solución salina que necesitan las células es dañino para los componentes microelectrónicos, además el contacto con la célula tiene que ser hecho sin metal.

http://www.wikiciencia.org/tecnologia/bionano/biochips/index.php
http://www.solociencia.com/biologia/bioinformatica-biochips.htm
http://iibce.edu.uy/2000-08/index.html

Erika Azabache

Brasil: Una excelente alternativa para el desarrollo en microelectrónica

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Cuando uno piensa en las posibilidades de estudios de post-grado – sea una maestría o un doctorado – en el área de microelectrónica generalmente se proyecta en las grandes y prestigiosas universidades de Estados Unidos: MIT, Berkeley, Stanford, etc. Esto ocurre en gran parte debido a que las empresas más exitosas en el rubro de semiconductores y producción masiva de circuitos integrados se encuentran en ese país, tales como Intel, AMD o Broadcom. En general, sea de Estados Unidos o en algunos casos Europa, la idea de seguir estudios de post-grado siempre se deriva en lugares fuera del continente sudamericano, pues se tiene una imagen de subdesarrollo en la mayoría de los aspectos. Debo admitir que yo también compartía esta perspectiva, la cual fue modificada luego de mi última visita a Brasil para un congreso internacional IEEE denominado SBCCI. El congreso se llevó a cabo en la ciudad de Gramado y fue organizado por la UFRGS (Universidad Federal Río Grande do Sul) ubicada en la ciudad de Porto Alegre. Al congreso asistieron doctores y masters de distintos de países, así como también los principales miembros del personal docente de la antes mencionada universidad y de otras igual de prestigiosas como USP (Universidad de Sao Paulo) y UFSC (Universidad Federal de Santa Catarina). Al conversar con algunas de las más importantes personalidades de cada universidad pude observar la calidad de los planes de estudios de los programas de maestría y doctorado. Cada universidad cuenta con especialistas en las distintas subáreas de la microelectrónica, tal como lo es diseño digital, señal mixta e incluso RF. En el congreso pude observar el gran avance que poseen en el área de microelectrónica y el gran apoyo del gobierno en el desarrollo de la misma. Una de las principales muestras de este desarrollo es la presencia de una importante compañía de semiconductores dentro del país: Freescale Semiconductors. Esta compañía tiene sucursales alrededor de todo el mundo, siendo la de Brasil la única en Sudamérica.

Cada vez más hay más oportunidades que se generan dentro de Brasil para el desarrollo en el área de microelectrónica. Por mencionar una de las más importantes, se debe resaltar el programa de entrenamiento en diseño de circuitos integrados que también acoge a estudiantes internacionales. Este programa dura alrededor de un año y se realiza en conjunto con las mejores universidades del país, así como también cuenta con el apoyo de empresas de reconocimiento internacional como CADENCE. Además, aquellos que ingresen al programa reciben una bolsa mensual de dinero para sus gastos, la cual llega a la suma de 2000 reales (supera incluso a la bolsa de los estudios de doctorado). Finalmente, cabe resaltar que la parte final del programa consta de la realización de un proyecto con alguna Design House dentro del país, por lo que al término del programa ya se tiene oportunidades sólidas de trabajo en alguna de ellas o incluso en compañías grandes como Freescale.

En conclusión, en Brasil existen numerosas oportunidades para el desarrollo en la fascinante área de microelectrónica, sea el objetivo un estudio de post-grado o simplemente ampliar tus conocimientos y conseguir un buen trabajo pues en ambos está presente la calidad de enseñanza y el apoyo económico. Espero puedan aprovechar algunas de estas oportunidades.

Oscar Robles