מחסניות שער חוצות (FPGAs) הופיעו כטכנולוגיית אבן הפינה באלקטרוניקה דיגיטלית מודרנית, המציעה תערובת ייחודית של גמישות, ביצועים, והגדרה מחדש כי שבבים קבועים קבועים לא יכולים להתאים.פעם מוגבל לתפקידים נישה ב prototyping וטלקומוניקציה, FPGAs הם כעת נהיגה חדשנות בין מרכזי ביצועים של כלי רכב ונתונים כדי לתקן את היכולות שלהם כדי להיות מתוכנתים מחדש, כאשר הם לפתח את הסטנדרטים הדרושים של מערכות אבטחה, החליקטיביים, החלים, החלים של מערכות אבטחה, החלים, החלים, החלים, החלים, החלים, החלים, החלים, כדי לשנות את השינויים של מערכות אבטחה, החלים, כדי לשנות את הסטנדרטים הדרושים כדי להתאים את הסטנדרטים הדרושים כדי להתאים את הסטנדרטים של מערכות אבטחה, החלים של ביצועים עתידיים, כדי לשנות את השינויים הנדרשים כדי להתאים את הסטנדרטים של מערכות אבטחה, החלים, החלים, החלים, כדי לשנות את הסטנדרטים של מערכות אבטחה, החלים, החלים, החלים, החלים, החלים, החלים של פונקציות אבטחה, החלים, החלים, החלים, החלים של מערכות אבטחה, החלים, החלים, החלים, החלים, החלים, כדי לשנות את השינויים הדרושים כדי לשנות את השינויים

מה זה FPGAs?

FPGA הוא מעגל משולב המורכב ממערך של בלוקים לוגיים ניתנים להגדרה, חיבורים חד-משמעיים, וקלט / בלוקים (I/O) שלא כמו מעגלים משולבים ספציפיים של יישומים (ASICs), אשר קבועים בייצור, FPGAs ניתן להגדיר על ידי המשתמש הסופי או מעצב כדי ליישם פונקציות לוגיקה דיגיטליות שרירותיות.

תהליך התצורה מסתמך על שפות תיאור חומרה (HDLs) כמו VHDL או Verilog, או יותר לאחרונה סינתזה ברמה גבוהה (HLS) כלים אשר מפצירים C / C++ קוד לתוך bitstreams FPGA.זרימת עיצוב זה מאפשר למהנדסים להזדרז, רעיונות בדיקה בחומרה, ולפרוס עדכונים בתחום - יכולת שהיא בעלת ערך מיוחד במוצרים ארוכי חיים או בסביבה שבה ניתן לפתח במהירות את הגמישות, תוך כדי שיפור תהליכים, תוך כדי שיפור חלקיים, תוך כדי שיפור תהליכים, תוך כדי שיפור עצמיים, תוך כדי שיפור עצמיים, תוך כדי שיפור תהליכים, תוך כדי שיפור תהליכים, תוך כדי שיפור תהליכים, תוך כדי שיפור תהליכים, תוך כדי שיפור תהליכים, תוך כדי שיפור של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של שילוב של מערכת ההפעלה, וקידום מחדש של שילוב של שילוב של מערכת ההפעלה, וקידום מחדש של שילוב של מערכת ההפעלה, ומאפשרת, תוך כדי שיפור תהליכים, תוך כדי שיפור עצמי, תוך כדי שיפור הגדרות זמן קצר, וקידום מחדש של מערכת ההפעלה, תוך כדי שיפור עצמי, תוך כדי שיפור עצמי, תוך כדי שיפור עצמי, ומאפשרת, וכן

(FPGAs משתרע על מגוון רחב של ביצועים ונקודות עלות, ממכשירים קטנים בעלי כוח נמוך המשמשים בקרים תעשייתיים לצ'יפים גדולים עם מיליוני תאים לוגיים, מעבדים משובצים (למשל, ARM Cortex ליבות), בקרים זיכרון קשיחים והופכים לפתרונות מתקדמים ל-microceivers (כמו FLT:0AMD ( Xilinx) LT1 ו-FLT2i) כמו גם פתרונות מתקדמים ל-LLCIOS (מסלולאריכים) כמו גם כן, כמו גם פתרונות FPIFLT) ו-ASTFLCIFLT)

יתרונות מרכזיים של FPGAs

החוזקות שהופכות את FPGAs כל כך אטרקטיביות נובעות ישירות מהטבע התואם שלהם ואת הארכיטקטורה המקבילה.הבנת היתרונות האלה מסייעת להבהיר מדוע הם מסלקים מיקרובקרים מסורתיים ו ASICs ביישומים רבים.

Reprogrammability ו-C Updates

אולי היתרון הגדול ביותר הוא היכולת לשנות את החומרה לאחר ההתקנה.זה מאפשר ליצרנים לתקן באגים, להוסיף תכונות, או להתאים לפרוטוקולים חדשים ללא זיכרון חומרה יקר או תחליף.לדוגמה, תחנת בסיס באמצעות FPGA יכול להיות מעודכן כדי לתמוך חדש 5G numerology פשוט על ידי טעינה של bitstream חדש.

עיבוד במקביל

בניגוד CPUs, אשר מבצעים הוראות באופן משמעותי (גם עם ארכיטקטורות מרובות-core), FPGAs ליישם לוגיקה במודל מחשוב מרחבי. תפעול כגון סינון, ממטריקס רב-כפלה, וניתן לבצע עיבוד נתונים בנתיבים מקבילים, השגת דרך חישוב זה פקודות של גודל גבוה יותר מאשר פתרונות מבוססי תוכנה.זה הוא בעל ערך במיוחד לעיבוד אותות, וידאו, ומכונה בכפוף לביקוש בזמן אמתי של מאות PG2 גבוה יותר (H) עבור ביצועים גבוהים של ביצועים גבוהים של נתונים PG-H) חסכוניים מתקדמים של ביצועים גבוהים יותר מאשר פתרונות מבוססי תוכנה.

התאמה לעוצמה וביצועים

מעצב יכול להתאים יישום FPGA לדרישות המדויקות של משימה, חיסול מעל תכונות מיותרות.התאמה זו משתרעת על ניהול כוח: בלוקים לוגיקה לא בשימוש ניתן לכבות, דומיינים שעון ניתן לשער, וטכניקות מדרג מתח מוחל. עבור מכשירים קצה כוח-מגבילים פחות, FPGA יכול לעתים קרובות להשיג צריכת חשמל נמוכה יותר מאשר GPU ביצוע המשימה, כי ארכיטקטורת GPU קבוע על פני אנרגיה כגון מרכזי ניקוי נתונים ספציפיים, כגון CPU.

עלויות מהירות ועלויות נמוכות יותר

פיתוח ASIC דורש מיליוני דולרים בהנדסה לא-החזור (NRE) עלויות עבור מסכות ומרקיגה, ואת מחזור העיצוב יכול לקחת 12 עד 18 חודשים. בניגוד, אבטיפוס FPGA יכול להיווצר ובדיקה בימים או שבועות עבור חלק מהעלויות.זה הופך את FPGAs פלטפורמת Go-to עבור הוכחה של תפיסה, חומרה, חיקוי, ונמוך כדי להתחיל ייצור גבוה יותר.

חוסר עקביות נמוכה

מכיוון ש-FPGA מיישמת צינור חומרה ייעודי, היא יכולה להבטיח זמני תגובה בטווח של ננו-שניות, עצמאיות מתזמון תוכנה או מטמון מפספסת.התנהגות ⁇ ית זו קריטית במערכות בקרה, מסחר בתדירות גבוהה, ואוטומציה תעשייתית בזמן אמת. בניגוד ל-GPUs, אשר מסתמכת על עיבוד מזוווץ, FPGAs יכול לעבד כל מדגם כמו שהוא מגיע, מה שהופך אותם מתאימים לגמישות נמוכה כמו לייזר או לולאומטריד כמו לייזר או לולאה.

יישומים חלופיים

FPGAs עבר מעבר לנישות המוקדמת שלהם כדי להפוך לרכיבים אינטגרליים בטווח רחב של תעשיות.כאן אנו חוקרים את תחומי היישום המשפיעים ביותר.

תקשורת ורשת

מגזר התקשורת היה נהג עיקרי של אימוץ FPGA.עם רול של 5G, הצורך בתהליכים גמישים, גבוה באמצעות חישוב בסיס בסיס דיסק בסיס התפוצץ. FPGAs מטפל ערוץ coding, Modulation, beamforming, ו- Network SynSyncization, תמיכה במספר פרוטוקולים במקביל, כי 5G סטנדרטים להמשיך להתפתח (למשל, שחרור 18 ומפעילים), יכול לנסח חומרה ללא תחנות כוחיות, כגון: קובצי Cookie של מערכת ההפעלה (pX).

נהיגה ברכב ואוטונומי

כלי רכב מודרניים מכילים עשרות יחידות בקרה אלקטרוניות (ECUs), אך הדרישות של מערכות ניהול מתקדמות (ADAS), היתוך חיישן, ונהג אוטונומי דורשות כוח עיבוד חסר תקדים וגמישות. FPGAs משמשים במודולים מצלמה לעיבוד תמונות בזמן אמת, במערכות לידר ו מכ"ם לצורך ניתוח ענן נקודתי, ובבקרים מרכזיים הממזגים נתונים מחיישנים מרובים.

מרכזי נתונים ואבטחת עננים

ספקי ענן היפר בקנה מידה כגון Microsoft Azure, Amazon Web Services, ו-Alibaba כבר פרסמו את FPGAs במרכזי הנתונים שלהם כדי להאיץ עומסי עבודה ספציפיים.פרויקט Catapult להציב FPGAs בכל שרת כדי להוריד את הרשת, הצפנה ולמידה מכונה ב-Finantation, צמצום עומס CPU ושיפור באמצעות רכיבי CPGF1 של אמזון מאפשרים ללקוחות לתכנן את ההגיון שלהם, המאפשרים להתאים אישית עבור ניתוחים פיננסיים, כגון CRMCDC-PROCDC-PROCDC-PROC, במיוחד, כמו CPU-PROCTO-PROCERCERCERCTO-FITCERCERCERCERCTO-PROCERCERCERCERCERCERCERCERCERI FPT FPT FPT FPT FPT FPT FPT FPT ® FPT FPT FPT ®, במיוחד, שיפור ביצועים משופרים ל-PROD.

מוצרי אלקטרוניקה

בעוד פחות גלוי למשתמשי הקצה, FPGAs מופיעים במכשירים צרכניים רבים.טלוויזיות מתקדמות משתמשות ב- FPGAs לעיבוד וידאו, התערבות בתנועה ומיזוג. Gaming Consoles, כגון הדורות הקודמים של Xbox ו-PlayStation, המשמשות את FPGAs עבור I/O bridging ו- Videoduction.com מצאו בית בידיים של חובבי חומרה באמצעות מכשיר כמו: FGAXI/OTM, באופן מדויק יותר לאחרונה, מעבדי תיבות של PG.

אוויר והגנת

אמינות, אבטחה וזמינות לטווח ארוך להפוך את FPGAs לרכיבה ביישומים אוויריים והגנתיים.FPGAs משמשים ברדיו המוגדרים בתוכנה (SDRs), עיבוד אותות מכ"ם, לוחמה אלקטרונית ותקשורת לווינית.היכולת לשנות חומרה במסלול (FPG-PSA כמו Microchip RTG4 או AMD Xilinx Kint Ultraale) מאפשרת לייעל את דרישות האבטחה של , כמו אלגוריתמים בתדר נמוך.

חקירה רפואית ומדענית

מערכות הדמיה רפואיות - כגון סורקי CT, מכונות MRI ומכשירים אולטרסאונד - מסתמכות על FPGAs כדי לעבד כמויות עצומות של נתוני חיישן גולמי בזמן אמת.הטבע המקביל של FPGAs מאפשר beamforming, שחזור תמונה וסינון עם עיכוב מינימלי, אשר קריטי עבור איכות אבחון ומטופל באמצעות לוח זמנים. במחקר מדעי, FPGAs ניסויים עת אנרגיה גבוהה (למשל, CER CER סיליקון נמוך), כמו טלסקופים זעירים), כמו רדיו זעירים).

אתגרים ושיקולים

למרות היתרונות הרבים שלהם, FPGAs הם לא panacea. מעצב חייב לשקול כמה אתגרים כאשר מחליטים אם להשתמש ב-FPGA.

כוח

בעוד FPGAs יכול להיות יעיל כוח עבור משימות ספציפיות, הכוח סטטי שלהם (החלמה) גבוה יותר מזה של ASICs עקב אלמנטים לא בשימוש routing ותצורה תצורה.במקרים מסוימים, ASIC מותאם אישית יכול להשיג 10 פעמים יעילות כוח טוב יותר עבור אותו פונקציה. עבור מכשירים ניידים מופעל סוללות, היתרון של פתרון קשיח עשוי לעלות על הגמישות של FPGA, עם זאת, ייצור מתקדם 5 מטרים, לא כמו â â â â â â â â â ¢ ¢ ¢ â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â â â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â ¢ ¢ â ¢ ¢ â â ¢ â â ¢ â â ¢ â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢

עיצוב מורכבות

תכנות FPGA דורש מיומנות שונה בהשוואה לפיתוח תוכנה.Hardware התיאור שפות יש עקומת למידה תלולה, וסגרת תזמון - להבטיח שכל נתיבי האות נפגשים תדרי שעון הנדרשים - יכולים להיות זמן-consuming.כלים סינתזה ברמה גבוהה הם שיפור, אבל הם עדיין מייצרים פחות יעיל מאשר RTL ידני עבור משימות רבות.עיצוב FPGA יכול להיות מעבר למאמץ דומה, במיוחד כאשר הם עוברים מגבלות שטח, במיוחד, במיוחד כאשר הם מקודדים, בהתחשב ברזולוציה של שעון, במיוחד כאשר הם מקודדים, כאשר הם מקודדים, כאשר הם מקודדים, במיוחד כאשר הם מקודדים, כאשר הם מקודדים, כגון לוח זמנים של שעון קיבולת, במיוחד, במיוחד, כאשר הם יכולים, כאשר הם מקודמים, במיוחד, כאשר הם יכולים, כאשר הם יכולים, כאשר הם יכולים, כאשר הם יכולים, כאשר הם יכולים, כאשר הם יכולים להיות מקודמים של לוח זמנים של לוח זמנים של לוח זמנים של לוח זמנים של לוח זמנים של לוח זמנים של לוח זמנים של לוח זמנים של לוח זמנים של לוח זמנים של לוח זמנים של לוח זמנים, במיוחד, כגון מיקום של לוח זמנים, כגון לוח זמנים, כגון לוח זמנים, כאשר הם יכולים, כאשר הם יכולים, כאשר הם יכולים, כאשר הם

שיקולים

עבור ייצור בינוני-נמוך, עלויות FPGA ליחידה גבוהות יותר מאלה של מיקרובקרים או ASICs כי ליהנות מכלכלות מסיביות של קנה מידה.עם זאת, כאשר לוקחים בחשבון עלויות NRE, זמן לשוק, ואת היכולת לעדכן, FPGAs לעתים קרובות לנצח בעלות הכוללת של יישומים גבוהים (מיליוני יחידות), AFP-programmeded או MRI עשוי להיות מאומץ יותר עבור אסטרטגיה כלכלית של ASFP-GA-upic עשויה להיות מופחתת יותר.

אבטחה Vulnerabilities

FPGAs אינם חסינים מפני איומים ביטחוניים. Bitstream יירוט, tampering וגניבת IP הם חששות.מכשירים מודרניים משלבים הצפנה (AES-256), אימות (HMAC, RSA), ותכונות אנטי- טמפר כמו אחסון מפתח מגיבוי סוללות.עם זאת, התקפות צד-ערוציות (ניתוח כוח, פליטה אלקטרומגנטית) יכולות לחלץ מידע מפתח אם לא מצטמצם.

עתיד FPGAs

מסלול הפיתוח של FPGA מצביע על שילוב חזק יותר, ביצועים גבוהים יותר, וגישה רחבה יותר. מגמות מספריות יעצבו את העשור הבא.

P-on-Chip (SoC) FPGAs

FPGAs כבר כוללים מעבדים משובצים (Hard ARM הליבה, RISC-V טרה-V ליבות רכות), בקרי זיכרון ומהירות גבוהה I / O. הדור הבא ישלב מנועי AI מתקדמים - כגון מערך ה- AI Engines ב AMD ורסאל - המשלבים את DSP עם ארכיטקטורות נתונים.מכשירים heterogeneous אלה מאפשרים עיצוב מערכת שלם על שבב יחיד, צמצום שטח וגמישות כגון מכונת למידה מהירה), אפילו מחשב ניידת (Socc-Socc-Socc-Cel) כולל מחשבי-Socc-Sochipnic).

קוד פתוח-Source

מערכת האקולוגית של FPGA נסגרה היסטורית, עם כלי קנייני של ספקים.הופעתם של כלים קוד פתוח כמו FLT:0YosysofFLT:1 (סינתזה), FLT:2 NextpnrOVAFLT 3 (מקום ותוואי), ו-FLT:4Project TrellisFLT:5 (עבור Lattice) הוא כעת חלקי של פיתוח כלי רכב פתוח, אשר יכול להיות פעיל, רק עבור תכונות אלה.

FPGA-as-a-Service (FaaS)

ספקי ענן כבר מציעים מקרים FPGA, אבל המגמה כלפי FPGA-as-a-Service תרחיב.משתמשים יוכלו להעלות את העיצובים שלהם למאגרי FPGA נגישים בענן, משלמים רק לזמן מקביל.מודל זה אידיאלי עבור משימות ביצועים גבוהים כגון genomics, מודלים פיננסיים סיכון, או סימולציה מדעית.

שילוב עם בינה מלאכותית

FPGAs ממוקמים ייחודי עבור אי השוויון AI בקצה.ההגדרה מחדש שלהם מאפשר להם להסתגל ארכיטקטורות רשת עצבית חדשה (CNN, טרנסים, רשתות עצביות גרף) ללא לחכות לסיליקון חדש.פיתוחים בקידוד נמוך (רשתות עצביות בינאריות, מחשוב סטוצ'י) לשפר את היעילות נוספת. במרכז הנתונים, FPGAs יתחממו יותר ויותר עם GPUs ו- ASIC עבור פונקציות עבודה של AMD, במיוחד עבור פונקציות סטרקטיבית של AMD.

פיתוח פיתוח תוכנה

Vendors להשקיע בכבדות בלעשות FPGAs קל יותר לתכנן מהנדסי תוכנה. סינתזה ברמה גבוהה (HLS) עם C++ / SystemC, OpenCL, ועכשיו גם Python (באמצעות מסגרות כמו Vitis AI ו FINN) מאפשר למפתחים לכתוב אלגוריתמים בשפות מוכרות.התוכנית הפתוחה FPGA Stack (OFS) על ידי אינטל מספקת פלטפורמה סטנדרטית עבור כרטיסי האצה מתקדמים, כמו אלה.

מסקנה

שדה הקרנה ארוניס הגיעו דרך ארוכה מהמקורות שלהם כלוגיקה דבק תצורתית.היום הם מרכזיים בטרנספורמציה מתמשכת של אלקטרוניקה דיגיטלית, המאפשרת מערכות הסתגלות, ביצועים גבוהים, ומערכות יעילות באנרגיה בטווח עוצר נשימה של מהנדסים, כמו גם יעילותם הטבועה, יכולות עיבוד מקבילות, ופוטנציאל התאמה אישית להפוך אותם הכרחיים בטלקומוניקציה, מרכזי נתונים, אלקטרוניקה, כמו גם פיתוח ציוד רפואי, כמו פיתוח מערכת ההפעלה, ועוד.