ما هي FPGAs؟

(ب) أجهزة ذات طابع شبه موصلة (FPGAs) مجهزة بمصفوفة من اللبنات المنطقية القابلة للتشكيل والمتصلة عبر وصلات قابلة للبرمجة، وخلافاً لدوائر متكاملة محددة التطبيق، تكون ذات رغبة صلبة في وظيفة واحدة، يمكن إعادة برمجة مجموعة من المواد الكيميائية المشابهة للصوت بعد التصنيع من أجل تنفيذ أي دائرة رقمية من قواعد اللغات.

ويشمل الهيكل الداخلي أيضاً مجموعات من الذاكرة المدمجة، ومقطعات تجهيز الإشارات الرقمية، ومفاتيح مرسلة عالية السرعة، وأجهزة الدفع المعجلة الحديثة، وأجهزة الدفع المتحركة المدمجة، وأجهزة التجهيز الكاملة - مثل أجهزة الزينكس ذات الصلصة العالية، تجمع بين نواة الوصل بين الوصلات الأساسية للشركة، ومنطق قابل للبرمجة، مما يجعلها أداة حقيقية على أساس النظام.

لماذا تختارين "إف بي جي" على التكنولوجيات البديلة؟

وكثيراً ما يُنخفض قرار استخدام نظام تقييم الأداء المالي إلى مبادلات بين الأداء والمرونة والتكلفة، ويُضاف إلى ذلك المزايا الرئيسية التي دفعت شركات الخدمات المالية إلى مئات التطبيقات.

تجهيز الباراميل

فمع أن وحدة مراقبة البرامجيات تقوم بتنفيذ التعليمات المتعاقبة، يمكن أن تجهز هيئة استعراض البرامجيات آلاف مسارات البيانات في آن واحد، مما يجعلها مثالية للمهام العالية المنجزة مثل تجهيز الفيديو في الوقت الحقيقي، والإذاعة المحددة للبرامج، وتسريع المعدات، وقد نشرت شركات مثل مايكروسوفت والأمازون نماذج البيانات في مراكز بياناتها للتعجيل بالبحث عن البينج وتعبئة عبء العمل.

التأقلم والتوقيت المحدد

ونظراً لأن المنطق ينفذ مباشرة في الأجهزة، فإن دوائر FPGA يمكنها أن تحقق درجة من المرونة في النطاق الثاني من النانو، وهذا أمر حاسم بالنسبة للمراقبة الصناعية، والحركة المستقلة (نظم المساعدة المسبقة للسائقين)، والنظم التجارية التي تهم الثلثين.

إعادة الثقة بدون تكاليف إعادة التصميم

وعلى النقيض من التصنيفات الجمركية، التي تتطلب مجموعات من القناع الغالي وشهور من التلفيق، يمكن إعادة برمجة هذه المجموعة في ثوان، مما يتيح وضع البطاريات المكررة، والارتقاءات الميدانية، والقدرة على التكيف مع المعايير المتغيرة (مثل الشفرة الجديدة للفيديو أو خوارزميات التشفير) دون استبدال المعدات.

التعجيل في أداء وظائف محددة

وفي حين تستهلك هذه الشركات قوة أكبر من قدرة البلدان الأفريقية المؤثرة على وظيفة معينة، فإنها كثيرا ما تحقق أداء أفضل بكثير من وحدات الاستهلاك المكلورة ووحدات الإزالة العالمية لحجم العمل المتناظر أو المخطّط للبيانات، وبوضع المنطق في العمليات المطلوبة بالضبط، تُلغى رسوم التعليم غير الضرورية ونفقات الذاكرة.

Designing with FPGAs: From Idea to Implementation

لغة الوصف في إطار برامجيات البرمجيات

ويمر إدخال التصميم الرئيسي لرسوم البرامجيات الحرة والمفتوحة المصدر عبر سجلات التنمية البشرية، وسجل VHDL وVilog هما الأكثر شيوعا، على الرغم من أن أدوات التوليف العالي المستوى الجديدة تسمح للمصممين بالكتابة في C/C++ أو النظام المدون، وتوضع المدونة في قائمة صافية، ثم تُرسم إلى اللبنات المنطقية المتاحة وتُوجَّهها.

التحقق والتحك

وقبل وضع برنامج للمسح المغناطيسي، من الضروري إجراء محاكاة شاملة، حيث تتيح أدوات مثل النموذج المسمى أو جهاز محاكاة فيفادو للمصممين التحقق من التوقيت، والتصحيح الوظيفي، واستهلاك الطاقة، وبالنسبة للنظم المعقدة، يمكن لفحص المعدات الموجودة في الشبكة أن يجمع بين إشارات العالم الحقيقي ونماذج المحاكاة.

التكوين والتوليد

أما الناتج النهائي لتدفق تصميمات FPGA فيجري في شكل ملف ذي مسار متبادل، ويتضمن هذا الإلزام بيانات تشكيلية لجميع وحدات LUTs، وثعابين، وحجب إجراءات إدارة السجلات والمحفوظات، ويتم البرمجة عن طريق فريق الإدارة المشتركة، أو وميض برنامج دعم البرامج، أو على شبكة من أجل تحديثات عن بعد، ويدعم العديد من هذه اللجان إعادة التشكيل الجزئي - مما يغير جزءا من المنطق بينما يستمر العمل فيما يعمل الباقي - مما يتيح تخصيص موارد دينامية.

FPGA Applications Across Industries

وقد تجاوزت هذه الممارسات كثيراً دورها التقليدي في منطق الغراء، إذ إن تعارضها يجعلها لا غنى عنها في المجالات التالية.

الاتصالات السلكية واللاسلكية و5G

وتعالج هذه المنظمات معالجة هائلة للإشارة الرقمية في محطات القاعدة، وترميز القنوات/التدفئة، ودعم إعداد نماذج لأجهزة الرصد المتعددة الجنسيات الضخمة، وقدرتها على نقلها إلى مختلف المعايير الإذاعية (LTE، 5G NR، Wi‐Fi 6) دون تغيير في الأجهزة، هي عامل رئيسي في توفير التكاليف لمشغلي الشبكات.

السيارات - من دائرة خدمات الدعم الدولية إلى الحفر المستقل

وفي المركبات الحديثة، تستخدم هذه المركبات لدمج أجهزة الاستشعار (الرادار، ليدار، كاميرات)، وكشف الجسم في الوقت الحقيقي، وصنع القرار، وهي توفر الحد الأدنى اللازم لتجنب الاصطدام، وكثيرا ما تقترن مع مسرعات وحدة الاتصال العالمي في أجهزة مراقبة النطاقات، فعلى سبيل المثال، تعتمد أسرة زيلينكس زينك أولتراسكالو+ اعتمادا واسعا في منابر السيارات.

التصوير الطبي والتشخيص

وتعتمد نظم الموجات فوق الصوتية والأشعة المقطعية في الوقت الحقيقي على نماذج الترددات الفلورية في عمليات التضليل وإعادة بناء الصور والتصفير، ويمكن أن يجهز هيكلها الموازي ملايين نقاط البيانات في الثانية، مما يتيح التصوير العالي الاستبانة بأقل قدر من التأخير، وبالإضافة إلى ذلك، تستخدم هذه الشبكات في أجهزة تشخيص محمولة يجب أن يظل استهلاك الطاقة فيها منخفضا.

الفضاء الجوي والدفاع

وتتطلب معالجة إشارات الرادار، والاتصالات المأمونة، ونظم الحرب الإلكترونية أداءً عالياً وسرعة، وعادة ما تكون لدى شركات الجبهة في هذا القطاع متغيرات ملوثة بالإشعاع (مثلاً، أجهزة مايكرشب RTAX أو Xilinx QINx QINSries) تعمل في بيئات متطرفة، وتسمح إعادة برمجتها للوحدات العسكرية باستكمال المقاييس البرمجية والصور الموجية في الميدان.

مراكز البيانات والتجارة المالية

وقد أدمجت شركات التكنولوجيا العاملة مثل غوغل ومايكروسوفت وشركة AWS مجموعات من الشركات الحرة المتعددة الأطراف في الهياكل الأساسية لخواديمها للتعجيل بإسناد المعارف الآلات وتجهيز مجموعات الشبكات واستفسارات قواعد البيانات، وفي تجارة الترددات العالية، يمكن لمراكز التجارة الحرة أن تقطع مجموعات الشبكات وتنفذ المتاجر في إطار ثاني أكسيد الكربون، مما يمثل سرعة مستحيلة في الحلول القائمة على البرامجيات.

FPGA vs. ASIC vs. GPU: Selecting the Right Tool

ولكل تكنولوجيا مكانة متميزة من حيث اللطف، إذ تحقق هذه المراكز أعلى أداء وأدنى قدرة لوظيفة ثابتة، ولكنها تتطلب قدرا كبيرا )بملايين الوحدات( لتبرير الامتحانات التنافسية الوطنية.

Emerging FPGA Technologies and the Future

التعجيل بالتعلم في مجال التعليم

ويتزايد استخدام هذه المبادئ التوجيهية كمعجلات في المنافذ، حيث أن انخفاض قدرتها وقابليتها للتعقيم يجعلها مثالية للآليات المستقلة، والطائرات بدون طيار، والمركبات الصناعية المتفجرة.

التكامل غير المتجانس والثلج

ويتجه الجيل القادم من هذه المبادئ إلى البنى المتعددة العصور، حيث يجمع المنطق والذاكرة والحواجز المشابهة على مجموعة واحدة تستخدم المصممين، يمكن للمصممين بناء نظم ضخمة )بآلاف الخلايا المنطقية( دون أن تكون محدودة بحجم الدقائق، وهذا مماثل للكيفية التي يقوم بها قسم إدارة القذائف والإنتيل بإدماج وحدة تحليل البرامجيات ومؤسسة FPGA على نفس الرقاقة - برنامج " سينكس " ( " ).

مفتوح - مصاريف الطعام والأدوات

ومن الناحية التاريخية، كان تصميم " FPGA " مقفلا على مجموعة الأدوات الخاصة بالملكية، وقد أدى ارتفاع المشاريع المفتوحة المصدر مثل " يوز " (للتوليف) والنقطة التالية (للمكان والطريق) إلى إضفاء الطابع الديمقراطي على تنمية " FPGA " ، ولا سيما بالنسبة لأجهزة " لاتيتشي " الصغيرة و " غوين " ، وقد يؤدي هذا الاتجاه إلى تقليل الحواجز التي تحول دون دخول الطلاب والهواة، مما يعزز الابتكار في المعدات الجمركية.

الأمن والإنجاز المؤمن

ومع تزايد القلق إزاء الهجمات التي تشنها أجهزة طروادة وهجمات الإمداد، توفر هذه المؤسسات سمات أمنية فريدة، وتكرير البات في المسارات، والتوثيق، والقدرة على عزل المنطق في مختلف المجالات الأمنية، تجعلها جذابة في التطبيقات مثل الجيوب الآمنة ومعدات الاختراع، وتمول وزارة الدفاع الأمريكية بنشاط البحوث في النظم القائمة على التلاعب بالأدوات التي تستخدمها هذه الشبكة.

بدأت بتنمية "إف بي جي"

وبالنسبة للمهندسين والهواة الجدد إلى شركات الخدمات الحرة والمفتوحة المصدر، فإن نقطة البداية هي اختيار مجلس تنمية، ومن الخيارات المتاحة، الحوض الرقمي 3 (Artix —7)، أو جهاز لاتيسي، أو سلسلة غوين تانغ نانو، ويبدأ مسار التعلم عادة بمنطق مركب بسيط (LED blinkers, counters)، ويحرز تقدماً في أجهزة الدولة، وبروتوكولات الاتصالات (UART, SP.

Resources such as the free online course from ]All about Circuits and the official documentation from AMD Xilinx[FGAT:7]

خاتمة

وتستمر تكنولوجيا FPGA في التطور بسرعة، مما يؤدي إلى سد الفجوة بين المرونة المحددة في البرامجيات والأداء على مستوى المعدات، ومن الهياكل الأساسية للاتصالات السلكية واللاسلكية التي يجب أن تواكب تطور المعايير 5G، والأجهزة الطبية التي تتطلب تجهيز الصور في الوقت الحقيقي، وإلى تضييق المعجلات التي تدور في البطاريات - تتيح نماذج تصميم المنتجات الإلكترونية الموجة التالية من الابتكارات الإلكترونية، وقدرتها على إعادة برمجتها بصورة متكررة، وسائل يمكن أن تتكيف مع مخططات الأجهزة الحاسوبية.