وقد برزت أجهزة التصوير ذات النطاق البرمجي الميداني كقاعدة أساسية في الأجهزة الإلكترونية الرقمية الحديثة، مما يوفر مزيجا فريدا من المرونة والأداء وإعادة التشكيل بحيث لا يمكن أن تتطابق مع الرقائق التقليدية ذات الوظائف الثابتة، وعندما تقتصر على الأدوار الميكانيكية والاتصالات السلكية واللاسلكية، فإن هذه النظم التي تنظر إلى الابتكار عبر الصناعات من المشهد الآلي ومراكز البيانات إلى النظم الفضائية الجوية والأجهزة الطبية التي لا غنى عنها.

ما هي FPGAs؟

وتشكل دائرة متكاملة تتألف من مجموعة من اللبنات المنطقية القابلة للبرمجة، والوصلات المشابهة، والقطع المدمجة/المنتجة، وخلافاً لدوائر الوصل الرقمية المصممة حسب الطلب، التي تُعد في الصنع، يمكن للمستعمل النهائي أو المصمم النهائي تشكيل نماذج الوصل الرقمية التي تُحدَّد حسب الطلب، والتي تتضمن عادة جداول الوصلات الرقمية التي تُحدَّد فيها إشارات ملامس.

وتعتمد عملية التشكيل على لغات وصف المعدات (HDLs) مثل VHDL أو Verilog، أو أحدث أدوات التوليف الرفيعة المستوى التي تجمع الرمز C/C++ إلى مواضع FPGA، ويتيح تدفق التصميم هذا للمهندسين سرعة اختبار الأفكار في المعدات، ونشر آخر المستجدات في الميدان - وهي قدرة ذات قيمة خاصة في منتجات أو بيئات تشغيلية طويلة الأجل تتطور فيها المعايير بسرعة.

FPGAs span a wide range of performance and cost points, from small low-power devices used in industrial controllers to massive high-endرقs with millions of logical cells, embedded processors (e.g., ARM Cortex cores), hardened memory controllers, and high-speed transceivers. Companies like AMD (formerly Xil1]

أهم مزايا الممارسات التجارية التقييدية

وتستمد مواطن القوة التي تجعل من هذه الممارسات جذابة جداً من طبيعتها القابلة للبرمجة ومن هيكلها الموازي، ويساعد فهم هذه المزايا على توضيح سبب قيامها بتشريد المتحكمين بالصغرى التقليديين وأجهزة قياس الجودة في العديد من التطبيقات.

إعادة البرمجة والتحديثات الميدانية

وربما كانت الميزة الأكثر احتفاء هي القدرة على إعادة تشكيل المعدات بعد التركيب، مما يسمح للمصنعين بإصلاح الحشرات أو إضافة السمات أو التكيف مع البروتوكولات الجديدة دون استرجاع المعدات أو استبدالها بتكلفة باهظة، فعلى سبيل المثال، يمكن تحديث محطة قاعدية تستخدم أداة FPGA لدعم رقمية جديدة بتعبئة مسار جديد، كما أن هذه القدرة تتيح أيضاً دورات تصميم مرنة: يمكن للمطور أن يتحقق من تصميم في شكل بديل، ثم يعدل الدقائق.

المعالجة الموازية على نطاق واسع

وعلى عكس وحدات التخفيض المعتمد المؤقتة، التي تنفذ التعليمات المتعاقبة (حتى مع البنى المتعددة العناصر)، تنفذ هذه المؤسسات المنطق في نموذج حاسوبي مكاني، ويمكن أن تجري عمليات من قبيل التصفيف، وتكرار المصفوفة، وفرز البيانات في مسارات متوازية، وتحقيق ناتج يفوق حجم الحلول المكافئة للبرامجيات، وهو أمر له قيمة خاصة بالنسبة لتجهيز الإشارات، وتحديد تطبيقات الاختبارات على أساس الفيديو، والتعلم الآلي في نفس الوقت، حيث

استخدام الطاقة والأداء

ويمكن لمصمم أن يصمم تنفيذاً من جانب المؤسسة على وجه الدقة للمهام، وأن يزيل النفقات العامة من السمات غير الضرورية، وهذا التكييف يمتد إلى إدارة الطاقة: ويمكن إيقاف القطع المنطقية غير المستخدمة، وفتح الأبواب، واستخدام تقنيات رفع الحجم، وضبط أجهزة الحافة التي تستخدم الطاقة، ويمكن أن تحقق هذه المجموعة في كثير من الأحيان استهلاكاً أقل من استهلاك الطاقة من مركز عالمي للطاقة يؤدي نفس المهمة، لأن هيكل وحدة المشتريات العامة قد أدى إلى زيادة سرعة استخدام النفايات.

Prototyping and Lower NRE Costs

فوضع معيار للتصنيف الصناعي يتطلب ملايين الدولارات في تكاليف الهندسة غير المتكررة للأقنعة والصنع، ويمكن أن تستغرق دورة التصميم 12 إلى 18 شهراً، وعلى النقيض من ذلك، يمكن وضع نموذج أولي للنموذج FPGA واختباره في أيام أو أسابيع لجزء من التكلفة، مما يجعل منبر العمل من أجل التحقق من صحة الأدلة، والتصميمات الخاصة بالمعدات، وإنتاج المنتجات ذات القيمة المضافة المنخفضة إلى الحجم المتوسط.

انخفاض معدلات الطوارئ

ونظراً لأن هيئة مراقبة الممتلكات تقوم بتنفيذ خط أنابيب مكرس للمعدات، فإنها يمكن أن تضمن أوقات الاستجابة في نطاق الثلثين، بغض النظر عن الجدولة الزمنية للبرامج أو فوات الاختبارات، وهذا السلوك المحدد له أهمية حاسمة في نظم الرقابة، والتجارة العالية التردد، والتشغيل الآلي الصناعي في الوقت الحقيقي، وعلى عكس وحدات التجهيز العالمية، التي تعتمد على التجهيز المدفوع، يمكن أن تجهز كل عينة من هذه الأجهزة، مما يجعلها مناسبة للتحكم في الثغرات.

التطبيقات التحويلية

وقد تجاوزت هذه المؤسسات مراحلها الأولى لتصبح عناصر متكاملة في مجموعة واسعة من الصناعات، ونستكشف أقل مجالات التطبيق تأثيرا.

الاتصالات السلكية واللاسلكية والشبكات

وقد كان قطاع الاتصالات السلكية واللاسلكية عاملاً رئيسياً في اعتماد نظام FPGA، ومع بدء تشغيل 5G، انفجرت الحاجة إلى تجهيز النطاقات الأساسية المرنة والمرتفعة الإنتاج، ويمكن أن تقوم شركات الشحن بتجميع أجهزة الترميز في قنوات الترميز، والمسح، والربط الشبكي، ودعم طبقات المراسم المتعددة في وقت واحد، ولأن المعايير 5G لا تزال تتطور (مثلاً، منصة الإصدار 18 وما بعده)

الحفريات ذاتياً وذوي الأصول الذاتية

(ب) بالإضافة إلى ذلك، فإن المركبات الحديثة تحتوي على عشرات وحدات المراقبة الإلكترونية، ولكن طلبات نظم المساعدة المتقدمة على السائقين، وتركيب أجهزة الاستشعار، والحركة المستقلة تتطلب قدرة ومرونة على المعالجة غير المسبوقة، وتستخدم هذه المركبات في وحدات التصوير لتجهيز الصور في الوقت الحقيقي، وفي نظم السطو والرادارات لتحليل السحب على النقاط، وفي أجهزة التحكم المركزية في النطاقات التي تُستخدم فيها البيانات من أجهزة الاستشعار المتعددة.

مراكز البيانات وتسريع السحاب

ويوفّر مقدمو الخدمات السحابية من قبيل ميكروسوفت أزور، وشركة الأمازون لخدمات الإنترنت، وشركة Alibaba، نماذج أداء بديلة من طراز FPision SBI، وذلك في مراكز بياناتهم للتعجيل بعبء عمل محدد.

Consumer Electronics

وفي حين أن أجهزة الموجات المتوسطة الحجم لا تُظهر إلا في العديد من أجهزة المستهلكين، فإن أجهزة التلفزيون العالية تستخدم أجهزة FPGA في تجهيز الفيديو، والاعتراض على الطلب، والارتقاء، والتعبئة، مثل الأجيال السابقة من Xbox وPlaStation، تستخدم أجهزة اختبار البرمجيات ذات الصبغة الفلورية في أجهزة الاستشعار الصوتية، وأجهزة التلقيم المرئية FPG، وهي تعمل على إيجاد منتج للأجهزة التعويضية.

الفضاء الجوي والدفاع

فالاعتماد والأمن والتوافر الطويل الأجل يجعلان من البرمجيات الحرة المتعددة الأطراف مجموعة أساسية في التطبيقات الفضائية الجوية والتطبيقات الدفاعية، وتُستخدم هذه المنظومات في أجهزة لاسلكية محددة، وتجهيز إشارات رادارية، والحرب الإلكترونية، والاتصالات الساتلية، والقدرة على إعادة تشكيل المعدات في المدار (تخفيض درجة الحرارة في الفضاء مثل أجهزة التردد المصغرة (RTG4) أو " AMD XilGAs UintexlcalS).

الأجهزة الطبية والعلمية

كما أن نظم التصوير الطبي - مثل أجهزة المسح الضوئي للأشعة السينية، وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، والأجهزة فوق الصوتية - تعتمد على أجهزة الموجات الفلورية لتجهيز كميات ضخمة من بيانات الاستشعار الخام في الوقت الحقيقي، كما أن الطبيعة الموازية لأجهزة التصوير الفموي تتيح التصفير، وإعادة بناء الصور، والتصفية بأقل قدر من التأخير، وهو أمر حاسم بالنسبة لنوعية التشخيص ومنافذ الصداع.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من فوائدها الكثيرة، فإن هذه الممارسات ليست علاجاً للمرض، ويجب على المصممين أن يثقلوا عدة تحديات عند البت في استخدامه.

استهلاك السلطة

وفي حين أن هذه الممارسات يمكن أن تكون فعالة من حيث القوة بالنسبة لمهام محددة، فإن قوتها الثابتة )الضرب( أعلى من قدرة البلدان الصناعية الآسيوية المتأثرة بسبب العناصر غير المستخدمة في تحديد المسارات والتشكيلات، وفي بعض الحالات، يمكن أن تحقق الشركة كفاءة أكبر في استخدام الطاقة لمهامها ذاتها بعشرة أضعاف، أما بالنسبة للأجهزة المحمولة ذات الطاقة البطارية، فإن ميزة القوة في الحل الصعب قد تفوق مرونة نظام FPGA.

تعقيد التصميم

ويتطلب برمجة برنامج " FPGA " مهارات مختلفة مقارنة بتطوير البرامجيات، وللغات وصف البرمجيات المزودة بمقياس للتعلم الحاد، وإغلاق التوقيت - ضمان أن تفي جميع مسارات الإشارات بتواترات الساعة المطلوبة - يمكن أن تستغرق وقتا طويلا، والأدوات التوليفيية الرفيعة المستوى آخذة في التحسن، ولكنها لا تزال تنتج نتائج أقل كفاءة من الحد الأدنى المحدد للشبكة بالنسبة للعديد من المهام.

اعتبارات التكاليف

وبالنسبة للإنتاج المنخفض إلى المتوسط، فإن تكاليف هذه الوحدة أعلى من تكاليف المتحكمين في الميكرويين أو البلدان الصناعية الآسيوية التي تستفيد من وفورات الحجم الهائل، غير أنه عندما تؤخذ في الاعتبار تكاليف البرمجيات الحرة الوطنية، أو الفترة الزمنية إلى السوق، والقدرة على التحديث، كثيرا ما تكسب هذه الشركات تكاليف الملكية الإجمالية، وبالنسبة للتطبيقات ذات الحجم الكبير )مليونات الوحدات(، فإن اعتماد هذه الاستراتيجية على أساس الحجم الخفي أو على شكل نظام تقديري " .

المسؤوليات الأمنية

ولا تتمتع هذه الممارسات بالحصانة من التهديدات الأمنية، فالاعتراض على المسارات، والتلاعب، والسرقة من قبل شركة آي بي هي شواغل، إذ أن الأجهزة الحديثة تتضمن التشفير (AES-256)، والتوثيق (HMAC, RSA)، والمعالم المضادة للمصابين مثل التخزين الرئيسي المدعم بالبطارية، غير أن الهجمات على أجهزة التعقب الجانبية (تحليل، والانبعاثات الكهرومغناطيسية) يمكن أن تستخرج معلومات رئيسية إذا لم تخفف من ذلك.

مستقبل المنظمات غير الحكومية

ويشير مسار تنمية هذه الفئة إلى زيادة التكامل، وزيادة الأداء، وتوسيع نطاق إمكانية الوصول، وسيشكل العقد القادم عدة اتجاهات.

نظام على نظام (SoC) FPGAs

وقد تشمل بالفعل نماذج مجهزة حديثة (نواة آلية إدارة المخاطر المؤسسية، والنواة اللينة للمؤسسة، ومراقبي الذاكرة، وأجهزة التحكم العالية السرعة I/O. وسيدمج الجيل القادم محركات متقدمة من طراز AI - مثل صفائف المهندسين في مجلة AMD Versal - تجمع بين ناقلات DSP وبين هياكل تدفق البيانات.

المبيعات المفتوحة

وقد أُغلق النظام الإيكولوجي لمؤسسة FPGA تاريخياً، مع سلسلة من الأدوات الجاهزة من البائعين، وظهور أدوات مفتوحة المصدر مثل Yosys) (الإطار التجميعي) ) في حين أن أدوات الاختراق (المكان والطريق) و

FPGA-as-a-Service (FaS)

ويعرض مقدمو الخدمات السحابية بالفعل حالات من نوع FPGA، ولكن الاتجاه نحو FPGA -ASAN-Service سوف يتوسع، وسيكون بوسع المستعملين تحميل تصميماتهم على مجمعات FPGA التي يمكن الوصول إليها من الناحية السحابية، مع دفع الوقت المناسب فقط، وهذا النموذج مثالي لمهام الاستكشاف المتقطعة ذات الأداء العالي مثل الديناميات، أو نماذج المخاطر المالية، أو المحاكاة العلمية.

التكامل مع الاستخبارات الفنية

أما بالنسبة لمراكز التدريب المهني، فهي ذات موقع فريد بالنسبة للإشارة إلى المعلومات المسبقة عن علم عند الحافة، إذ أن إعادة تشكيلها تتيح لها التكيف مع هياكل الشبكة العصبية الجديدة )الشبكة الوطنية للأخشاب، والمحولات، والشبكات العصبية( دون انتظار الوصل الجديد، كما أن التطورات في وحدات المقاييس المنخفضة الدقة )الشبكات العصبية المشتركة، والحساب المتين( ستزيد من كفاءة العمل في مركز البيانات.

تزايد إمكانية وصول مطوري برامجيات البرمجيات

ويستثمر البائعون بشدة في جعل برامج الاختبارات المالية أكثر سهولة في برامج مهندسي البرمجيات، ويسمح توليف رفيع المستوى مع C++/SystemC، و OpenCL، وحتى Python (عن طريق أطر مثل فيتيس آي و FINN) للمطورين بكتابة المقاييس باللغات المألوفة، وتوفر مبادرة " FPGA Stack " (OFGAS) منصة نموذجاً موحداً.

خاتمة

فـإن هـذه الصيغـة المبرمجـة في الميدان قد قطعت شوطا طويلا من منشأها كمنطق متغير، وهي اليوم محورية للتحول المستمر للنظم الالكترونية الرقمية، مما يتيح إمكانية وضع نظم مكيفة وحسنة الأداء وناجعة للطاقة عبر مجموعة من التطبيقات، ولا تزال إمكانية إعادة برمجتها، وقدرات التجهيز الموازية، وإمكانات تكييفها تجعلها أمرا لا غنى عنه في مجالات الاتصالات السلكية واللاسلكية، والآلية، ومراكز البيانات، والتكليفات الالكترونية للمستهلكين.