Fpga Technology를 사용하여 맞춤형 및 고성능 전자 솔루션

FPGA는 무엇입니까?

FPGA(Condition-Programmable Gate Arrays)는 프로그래밍 가능한 인터커넥트를 통해 연결된 구성 가능한 논리 블록(CLBs)의 매트릭스를 기반으로 하는 반도체 장치입니다. 단일 함수를 위해 하드 와이어가 되는 애플리케이션 별 통합 회로(ASIC)와 달리 FPGA는 어떤 디지털 논리 회로를 구현하기 위해 제조 후 다시 프로그래밍할 수 있습니다. 이 유연성은 룩스(LUTs), 플립스(Flupt-L), VIP(VVIP), VIP(VIP), VIP(VIP), VIP(VIP) 등의 기술로 구성되어 있습니다.

내부 아키텍처는 임베디드 메모리 블록 (BRAM), 디지털 신호 처리 (DSP) 슬라이스 및 고속 I / O 트랜시버를 포함합니다. 현대 FPGAs는 전체 프로세서 시스템을 통합합니다. 예를 들어 AMD Xilinx Zynq 장치는 프로그래밍 가능한 논리와 ARM Cortex 코어를 결합하여 시스템에서 칩 (SoCs)을 만듭니다. 구성은 SRAM 셀에 저장되며 장치가 모든 전원을 재구성하거나 부분적으로 재구성하여 재생할 수 있습니다.

왜 FPGA를 대체 기술에 선택합니까?

FPGA를 사용하는 결정은 종종 성능, 유연성, 비용 사이의 거래 ‐ 오프에 온다. 아래는 수백 개의 응용 프로그램에 FPGA를 추진 한 주요 장점입니다.

대량 병렬 가공

FPGAs는 완전하게 평행합니다. CPU가 지시를 순차적으로 실행하는 동안, FPGA는 수천의 자료 시내를 동시에 처리할 수 있습니다. 이것은 실제 시간 영상 처리, 소프트웨어 정의 라디오 및 기계설비 가속과 같은 고발성 일을 위해 이상적 만듭니다. 마이크로소프트와 아마존 같이 회사는 그들의 자료 센터에 있는 FPGAs를 배치했습니다 Bing 수색 및 클라우드 컴퓨팅 워크로드를 가속합니다.

낮은 지연 및 결정적인 타이밍

논리는 하드웨어에서 직접 구현하기 때문에 FPGA 회로는 나노 초 범위의 세심한 대기 시간을 달성 할 수 있습니다. 이는 산업 제어, 자율 주행 (advanced driver‐assistance systems) 및 마이크로 초가 중요 한 거래 시스템에 중요합니다.

Redesign 비용 없이 재구성

ASIC와 대비하여 비싼 마스크 세트와 섬유의 달을 필요로하는 FPGA는 초에서 재생될 수 있습니다. 이는 하드웨어를 대체하지 않고도 이더러티브 프로토 타이핑, 필드 업그레이드 및 표준 (예를 들어, 새로운 비디오 코덱 또는 암호화 알고리즘)을 변경하는 능력이 가능합니다.

특정 기능에 대한 전력 효율 가속

FPGAs는 주어진 기능을 위한 ASICs 보다는 힘을 더 소비하는 동안, 그들은 수시로 자료 ‐ 평행선 또는 파이프라인 잡업 부하를 위한 CPUs 그리고 GPU 보다는 훨씬 나은 성과 ‐ 와트를 달성합니다. 논리를 정확하게 필수 가동에 맞추기 위하여, 불필요한 지시 fetch 및 기억 머리 위는 삭제됩니다.

FPGAs로 설계: 구현에 대한 아이디어에서

하드웨어 기술 언어 (HDLs)

FPGAs의 주요 디자인 항목은 HDL을 통해있다. VHDL과 Verilog는 가장 일반적인이지만, 더 새로운 높은 수준의 합성 (HLS) 도구는 디자이너가 C / C + + + 또는 SystemVerilog에 작성 할 수 있습니다. 코드는 사용할 수있는 논리 블록과 경로를지도 netlist로 합성됩니다. FPGA의 주요 장점은 동일한 디자인이 최소한의 변경으로 다른 공급 업체의 장치로 대상 될 수 있다는 것입니다.

검증 및 시뮬레이션

FPGA를 프로그래밍하기 전에, 철저한 시뮬레이션은 필수적입니다. ModelSim 또는 Vivado Simulator와 같은 도구는 타이밍, 기능적 정정 및 전력 소비를 검증하는 디자이너를 허용합니다. 복잡한 시스템의 경우 하드웨어 ‐ ‐ 루프 (HIL) 테스트는 시뮬레이션 모델과 실제 신호를 결합 할 수 있습니다.

구성 및 비트스트림 발생

FPGA 디자인 흐름의 최종 출력은 비트 스트림 파일입니다. 이 바이너리는 모든 LUT, 라우팅 뮤즈 및 블록 RAM에 대한 구성 데이터를 포함합니다. 프로그래밍은 JTAG, SPI 플래시 또는 원격 업데이트를위한 네트워크에서 수행됩니다. 많은 현대 FPGAs 지원 부분 재구성 - 논리의 일부를 변경하고 나머지는 계속 작동 - 동적 자원 할당을 가능하게합니다.

FPGA 응용 프로그램 Across Industries

FPGAs는 접착제 논리에 있는 그들의 전통적인 역할을 넘어 멀리 이동했습니다. 그들의 다예 다제는 그(것)들을 뒤에 오는 도메인에서 indispensable 합니다.

원거리 통신 및 5G

FPGAs는 기지국에서 대규모 디지털 신호 처리를 취급하고, 수로 기호화/디코딩을 실행하고, 다량 MIMO를 위한 광속 형성을 지원합니다. 하드웨어 변경 없이 다른 라디오 기준에 (LTE, 5G NR, Wi-Fi 6)에 충당될 능력은 네트워크 통신수를 위한 중요한 비용 절약자입니다. Xilinx (현재 AMD의 일부)는 프론트 운반과 백홀 공용영역의 고속 요구에 응하는 SerDes 송수신기를 가진 기업을 공급합니다.

자동차 – ADAS에서 자율 주행

현대 차량에서는, FPGAs는 감지기 fusion (radar, LiDAR, 사진기), 순간 목표 탐지 및 결정 ‐ 만들기를 위해 이용됩니다. 그들은 충돌 방지를 위해 필요로 한 낮은 대기권을 제공하고 수시로 도메인 관제사에 있는 GPU 가속기와 결합됩니다. 예를 들면, Xilinx Zynq UltraScale+ 가족은 자동차 플랫폼에서 넓게 채택됩니다.

의료영상 및 진단

실시간 초음파, CT 및 MRI 시스템은 빔 성형, 이미지 재구성 및 필터링을위한 FPGAs에 의존합니다. 병렬 아키텍처는 초당 수백만 개의 데이터 포인트를 처리 할 수 있으며 최소 지연으로 고해상도 이미징을 가능하게합니다. 또한 FPGA는 전력 소비가 낮아지면 휴대용 진단 장치에서 사용됩니다.

항공 및 방위

레이더 신호 처리, 보안 통신 및 전자 warfare 시스템은 고성능과 견고성을 모두 요구합니다. 이 분야에서 FPGA는 일반적으로 극한 환경에서 작동하는 방사선 경화 변형 (예 : Microchip RTAX 또는 Xilinx Q-series)을 가지고 있습니다. 그들의 reprogrammability는 군 단위가 필드에 암호화 알고리즘 및 파형을 업데이트 할 수 있습니다.

데이터 센터 및 금융 거래

Google, Microsoft 및 AWS와 같은 기술 거대는 FPGA를 서버 인프라로 통합하여 컴퓨터 학습 인섭, 네트워크 패킷 처리 및 데이터베이스 쿼리를 가속화합니다. 고주파 거래에서 FPGA는 네트워크 패킷을 파싱하고 마이크로 초 미만의 거래를 실행할 수 있습니다. 소프트웨어 기반 솔루션과 함께 속도가 불가능합니다. Xilinx 및 Intel과 같은 스타트업 (Altera 부서를 통해)은 이제 이러한 작업 부하에 대한 전용 가속 카드를 제공합니다.

FPGA vs. ASIC vs. GPU: 오른쪽 도구를 선택

각 기술에는 독특한 단거리 자리가 있습니다. ASIC는 고정 기능에 가장 높은 성능과 최저 전력을 달성하지만 NRE를 정량화하기 위해 고용량 (단위의 밀리언)을 요구합니다. GPU는 데이터 ‐ 패럴 작업에서 높은 arithmetic 강도 (예 : 딥러닝 교육)을 준수합니다. FPGAs는 중간 접지를 차지합니다. 그들은 배포 후 변경할 수있는 유연성을 가진 많은 작업에 대한 근접 ASIC 성능을 제공합니다. 낮은 수준의 조정 능력과 같은 표준을 필요로하는 응용 프로그램을 위해 - FPGAs는 종종 선택적 인 선택적 인 선택적 인 선택적 인 선택적 인 선택적 인 선택적이다.

Emerging FPGA Technologies와 미래

AI 및 기계 학습 가속

FPGA는 점점 더 많은 가장자리에 방해 가속기로 사용됩니다. 저전력과 세분화 대기 시간은 자율 로봇, 무인 항공기 및 산업용 IoT에 이상적입니다. 인텔의 OpenVINO 툴킷 및 AMD의 Vitis AI는 개발자가 최소 노력으로 FPGA 직물에 훈련 된 신경 네트워크를 배치 할 수있게 해줍니다. 네트워크 토폴로지가 더 다양하기 때문에 다른 모델에 accelerator를 재구성 할 수있는 능력이 경쟁력이됩니다.

Heterogeneous 통합 및 칩셋

FPGAs의 차세대는 다중 DY 아키텍처로 이동하고 있습니다. 인터포스터를 사용하여 단일 패키지에 논리, 메모리 및 아날로그 블록을 결합함으로써 디자이너는 재탄생 크기로 제한없이 대규모 (지적 및 논리 세포) 시스템을 구축 할 수 있습니다. 이것은 AMD와 Intel이 동일한 칩에서 CPU 및 FPGA를 통합하는 방법과 유사합니다. Xilinx Versal 플랫폼은 주요 예입니다.

Open‐Source 하드웨어 및 도구

FPGA는 FPGA 디자인이 독점 툴체인으로 잠겨졌습니다. Yosys (합성) 및 nextpnr (지상 ‐ 루트)와 같은 오픈 소스 프로젝트의 상승은 특히 작은 격자 및 Gowin 장치를위한 FPGA 개발을 민주화하는 것입니다. 이 추세는 학생과 취미에 대한 진입 장벽을 낮출 수 있으며 사용자 정의 하드웨어에서 혁신을 촉진합니다.

보안 및 신뢰된 실행

하드웨어 트로이 목마와 공급 체인 공격에 대한 성장 우려와 함께 FPGAs는 독특한 보안 기능을 제공합니다. Bitstream 암호화, 인증 및 다른 보안 영역에서 논리를 격리하는 능력은 보안 쇠약 및 블록 체인 하드웨어와 같은 응용 프로그램에 매력을 만듭니다. 미국 국방부는 탬퍼 FPGA 기반 시스템에 대한 연구 적극적으로 자금 지원을하고 있습니다.

FPGA 개발 시작

엔지니어와 취미가 FPGAs에 새로운 것을 위해, 시작점은 발달 널을 선택하고 있습니다. 적당한 선택권은 Digilent Basys 3 (Artix‐7), Lattice iCEstick, 또는 Gowin Tang Nano 시리즈를 포함합니다. 학습 경로는 일반적으로 간단한 조합 논리 (LED blinkers, 카운터)로, 국가 기계 및 커뮤니케이션 의정서 (UART, SPI)에 진도하고, 그 후에 간단한 RISC‐V 가공업자 같이 복잡한 디자인에 이동합니다.

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