Введение в FPGA: что это такое и где применяется

Время чтения: 18 минут

Фактически это набор элементарных компонентов или их групп, между которыми программно устанавливаются связи в соответствии с разработанной схемой. Вместо пинцета и паяльника — компьютерная мышь и клавиатура!

Удобно, быстро, можно проверить задумку на симуляторе и перепрограммировать. Прошивка несложная. А ещё у ПЛИСов низкая цена, впечатляющее быстродействие и малая потребляемая мощность.

Понравилось. И понеслось! Создавались всё более совершенные конструкции. Разработчики соревновались в мощности, скорости, функциональности. Из разросшегося разнообразия стали выделяться определённые группы по технической направленности:

Стандартная ПЛИС, иначе называют «простой» или «simple», состоит из матриц логических элементов И и ИЛИ, соединённых последовательно. Более сложная, комплексная ПЛИС, имеет центральную коммуникационную матрицу, макроячейки и блоки ввода-вывода.

Программируемая Пользователем Вентильная Матрица ППВМ (Field-Programmable Gate Array — FPGA) содержит массив программируемых логических блоков CLB (Configurable Logic Block) и связующую их матрицу переключения. Этот класс является более сложным, однако более гибким инструментом в руках электроников. «Всё познаётся в сравнении», – предупреждал Рене Декарт. Ближайшие конкуренты ПЛИСов — микроконтроллеры и ИМСП (интегральные микросхемы специального назначения), иначе ASIC (Application-Specific Integrated Circuit).

Как следует из таблицы, микросхемы ПЛИС стали сбалансированным компромиссом между гибкостью, производительностью и ценой, прежде всего для средних и малых серий. ИМСП производительнее, но требуют больших капиталовложений и не допускают изменений после выпуска. Микроконтроллеры несложные в использовании и дёшевы, но уступают ПЛИСам по производительности, преимущественно в задачах параллельной обработки.

ПЛИСЫ имеют большую гибкость, что делает их незаменимыми в разных областях передовой электроники. Их преимущества:

Затем в статье подробнее рассмотрим ППВМ наиболее известных фирм Xilinx и Intel FPGA.

Вентильные матрицы состоят из нескольких основополагающих компонентов, работающих согласованно.

Совместно эти компоненты обеспечивают ППВМ решение сложных логических задач и алгоритмов, адаптируясь под конкретные требования проекта.

Хотя они относятся к категории программируемых логических устройств, у них есть заметные различия в архитектуре и применении:

Главное отличие заключается в уровне сложности реализуемых проектов. Первые предлагают большую гибкость и мощность, вторые же легче в освоении и дешевле в производстве.

HDL (Hardware Description Language) — языки описания электронной аппаратуры, используемые для программирования ПЛИС. Самые распространённые языки: VHDL и Verilog. Они способны описывать аппаратную логику на уровнях абстракции от битовых операций до сложных подсистем. Вот их особенности:

HDL — основной «язык общения» с FPGA. Он позволяет создавать любые цифровые устройства: от простейших до самых сложных, прямо на базе «пустой» универсальной логики чипа. Причём делает это с высокой гибкостью и максимальным использованием параллелизма для достижения нужного быстродействия и функционала.

Они организуют поддержку всего хода проектирования — от написания кода до синтеза и тестирования. Рассмотрим три самых популярных инструмента.

Поддерживает разработку на FPGA от компании Xilinx. Обеспечивает продуктивные средства для синтеза, реализации и анализа производительности. Vivado также содержит инструменты для работы с высокоуровневыми языками, например, C и C++, упрощающие проектирование.

Инструмент для разработки на FPGA от Intel (ранее Altera). Quartus предлагает увеличенный набор функций с автоматизированным синтезом, оптимизацией и анализом. Поддерживает как VHDL, так и Verilog, а также предоставляет средства для работы с системами на кристалле (SoC).

Эта программа от компании Lattice Semiconductor. Она ориентирована на компактные продукты с малым энергопотреблением. Diamond предлагает интуитивно понятный интерфейс и поддерживает распространённые языки описания аппаратуры, а также инструменты для анализа и отладки.

Их несколько:

Эти инструменты сильно упрощают процесс разработки, позволяя инженерам сосредоточиться на проектировании и оптимизации систем, а не на низкоуровневых аспектах реализации.

Выбор инструмента зависит от конкретного проекта, доступности документации и поддержки сообщества.

Они используются в разноплановых областях, где требуется повышенная производительность, гибкость и параллелизм. Программируемая природа позволяет адаптировать их к конкретным задачам, что удачно отличает их от ASIC или специализированных процессоров.

В этом секторе они удачно справляются с поставленными задачами благодаря высокоскоростной работе и параллельной архитектуре.

Пример: манипуляции роботизированной руки на сборочной линии требуют мгновенной реакции на изменения положения объектов. Вентильные матрицы обеспечивают необходимые вычислительные мощности для анализа поступающей информации и принятия решений в режиме реального времени.

Цифровые сигнальные процессоры (DSP) часто ограничены фиксированной архитектурой, тогда как ППВМ предоставляют условия динамически менять конфигурацию, это облегчает реализацию разноплановых алгоритмов ЦОС и адаптацию к смене условий работы.

Пример: в военных радарах ППВМ применяют для обработки большого объёма информации массива антенн для быстрого обнаружения цели и корректировки направления луча

Параллельная архитектура ускоряет работу приложений, требующих больших объёмов вычислений.

Пример: ППВМ используются в суперкомпьютерах для ускорения научных расчётов, таких как моделирование климата или симуляции ядерных реакций, а также для машинного обучения нейросетей.

В наше время автомобили становятся всё более сложными механизмами с различными датчиками и исполнительными механизмами.

Пример: Tesla использует вентильные матрицы в своих автомобилях для обеспечения функций автопилота, распознавания дорожных знаков, разметок и т. д.

Вентильные матрицы играют важную роль в области телекоммуникаций поддержкой новых стандартов и технологий.

Пример: операторы мобильной связи задействуют ППВМ для протоколов 5G NR, дающих высокую скорость передачи данных и малое время отклика.

Вентильные матрицы предлагают оптимизированный баланс эксплуатационныхпараметров. Однако, как и у любой технологии, у них есть сильные и слабые стороны.

Но есть и недостатки

Развитие вентильных матриц продолжается стремительными темпами. Главным направлением является совершенствование первостепенных характеристик:

Ожидается, что значение вентильных матриц в дальнейшем будет повышаться в различных областях электронной промышленности. Последующее совершенствование технологий производства и архитектур будет способствовать росту плотности логики, снижению энергопотребления и расширению функциональности. Это позволит использовать FPGA в многообразном спектре приложений, от квантовых вычислений до искусственного интеллекта.

Интеграция в более сложные системы на чипе (SoC) также будет способствовать их распространению и усилению продуктивности разработки встраиваемых устройств. В итоге FPGA сохранят свою позицию как гибкое и эффективное решение для различных задач в прогрессирующей электронике.