Alan programlanabilir Kapı Dizileri (FPGA) modern dijital elektronikte bir temel teknoloji olarak ortaya çıktı, havacılık ve tıbbi cihazlara benzersiz bir esneklik, performans ve yeniden programlanabilirlik sağlarken, geleneksel sabit işleyen çiplerin standart, güvenlik tehditleri ve performans talepleri ile sınırlı bir kez, FPGA'lar artık endüstriler arasında inovasyonu ve gelecekteki FPGA'ların yeniden programlanması için yeniden programlanma yeteneğini sağlıyor.

FPGAs nedir?

Bir FPGA, dijital mantık fonksiyonlarını uygulamak için bir dizi programlanabilir mantık bloklarından oluşan entegre bir devredir.The logic blocks (I/O) bloklar.Uygulamaya özgü tüm devrelerden farklı olarak, dijital sinyal işleme (DGA) olarak ayarlanan ve dijital sinyal işleme (DSP dilimleri) ile yapılandırılabilir.

Yapı süreci, VHDL veya Verilog gibi donanım tanımlama dillerine veya daha yakın zamanda C/C++ kodlarını derleyen yüksek düzey sentezlere (HLS) araçları, cihazın bir kısmının hızla, donanımdaki fikirleri test etmesine ve alandaki güncellemeler dağıtmasına olanak tanır.

FPGAs, çok çeşitli performans ve maliyet puanlarını, endüstriyel kontrollerde kullanılan küçük düşük güç cihazlarından milyonlarca mantık hücresi ile yüksek uçlu çiplere, gömülü işlemcilere (örneğin, ARM Cortex çekirdekleri), sertleştirilmiş hafıza kontrolleri ve yüksek hızlı transeivers.com gibi şirketler (eskiden Xilinx) ve D)[D)[Döneticileri için erişilebilir hale getirirler.

FPGAs'ın Anahtar Avantajları

FPGA'ları bu kadar çekici kılan güçlüler, doğrudan programlanabilir doğa ve paralel mimarilerinden elde ederler. Bu avantajları anlamak, geleneksel mikro kontroller ve ASIC'leri birçok uygulamada nasıl attıklarına açıklığa yardımcı olur.

Yeniden programlanabilirlik ve Alan Updates

Belki de en ünlü avantaj, kurulumdan sonra donanımı yeniden yapılandırma yeteneğidir. Bu, üreticilerin böcekleri düzeltmesine, pahalı bir donanım hatırlama veya değiştirme olmadan yeni protokolleri yeni protokolleri yeni bir protokole uyum sağlamasına olanak sağlar. Örneğin, bir FPGA kullanarak bir temel istasyon, yeni bir 5G numerolojiyi desteklemek için yeni bir 5G numerolojiyi desteklemek için güncellenebilir.Bu yetenek aynı zamanda esnek tasarım döngülerine olanak sağlar: bir geliştirici bir yapılandırmada bir tasarım doğrulayabilir, ardından alternatif kullanım durumu için birkaç dakika içinde değiştirebilir.

Massally Paralel İşleme

Filtreler aksine, talimatları yerine getiren (çok çekirdekli mimarilerle bile), FPGA'lar, filtreleme, matrix multiplikasyon ve veri türevleri gibi uzaysal bir hesaplama modelinde mantığı uygular ve veri sıralaması, paralel yollarda yapılabilir, doğru tabanlı olmayan yüzlerce veri işlemine olanak sağlar.

Güç ve Performans için Özelleştirme

Bir tasarımcı bir görevin tam gereksinimlerine bir FPGA uygulaması sunabilir, gereksiz özelliklerden uzaklaşmak için.Bu özelleştirme güç yönetimine genişletilebilir: kullanılmayan mantık blokları genel amaçlı gölgeler üzerinde enerjiden çıkabilir ve gerilim ölçeklendirme teknikleri uygulanabilir. Güç değiştiricisi için, bir FPGA aynı görevi yerine getirenden daha düşük güç tüketimi elde edebilir, çünkü GPU'nun sabit mimari atıkları genel amaçlı gölgeler üzerinde enerji tasarrufu sağlar.

Hızlı prototipleme ve Aşağı NRE Maliyetleri

ASIC'nin geliştirilmesi, maliyetin bir kısmı için milyonlarca dolar gerektirir. Bu, maskeler ve üretim için maliyetler ve tasarım döngüsü 12 ila 18 ay sürebilir. Buna karşılık, birçok start-GA prototipi ve araştırma grubu, maliyetin bir kısmını hızla piyasaya getirmek için fikirlere güvenebilir.Bu, yüksek hacimli bir tasarım için, FPGA'lar için uygun bir şekilde yapılandırılabilir ve düşük maliyetli bir şekilde taşınabilir.

Deterministic Low Latency

Bir FPGA, belirli bir donanım hattı uygular, her örnekle nanosaniye aralığında yanıt süreleri garanti edebilir, düşük çözünürlükte geri bildirim döngüsü için uygun hale getirir.Bu deterministic behavior kontrol sistemleri, yüksek frekanslı ticaret ve gerçek zamanlı endüstriyel otomasyon.

Dönüşümlü Uygulamaları

FPGAs, geniş bir endüstri yelpazesinde integral bileşenler haline gelmek için erken nişlerinin ötesine geçti. Aşağıda en etkili uygulama domainlerini araştırıyoruz.

Telekomünikasyon ve Ağlama

Telekomünikasyon sektörü FPGA kabulünün birincil bir sürücüsü olmuştur. 5G standartları aynı anda gelişmeye devam etmektedir, esnek, yüksek hacimli dağıtım için ihtiyaçlar patladı. FPGAs handle kanal kodlama, modlama, kirişler ve ağ senkronizasyonu, birden fazla protokol katmanı desteklemektedir. Çünkü 5G standartları aynı anda (örneğin, 18 ve ötesinde), operatörler tüm temel istasyonları değiştirmeden donanıma geçebilirler.Inline network, FPGAs güç telleri, yönlendiriciler ve ağ arabirimleri, ağ arabirimleri ve ağ arabirimleri, kontrolleri ve trafik yönetimi gibi.

Otomotiv ve Özerk Araba

Modern araçlar onlarca elektronik kontrol ünitesi (ECUs), ancak gelişmiş sürücü-assist sistemler (ADAS), sensör füzyonu ve otonom sürüşü, daha önce görülmemiş bir işleme gücü ve esnekliği gerektirir. FPGAs, gerçek zamanlı görüntü işleme için kamera modüllerinde, nokta bulut analizi için kapak ve radar sistemlerinde kullanılır ve birden fazla sensörden verileri uzaklaştırır.[değiştir | kaynağı değiştir]

Veri Merkezleri ve Bulut Hızlandırma

Microsoft Azure, Amazon Web Services ve Alibaba gibi hiper ölçekli bulut sağlayıcıları, müşterilerin kendi mantığını hızlandırmalarına izin veriyor. Microsoft Project Catapult FPGAs in every server to off network, şifreleme ve makine öğrenimi teşvik ediyor, CPU yüklerini azaltır ve güçlendirebilir. Amazon EC2 F1 örnekleri, finansal analizler için özel bir ivme sağlar, genomikler ve video transkriptleri kullanarak özellikle de sabit olmayan bir ağ için.

Tüketici Elektronik

Kullanıcıların sonlarına kadar daha az görünürken, FPGA'lar birçok tüketici cihazda görünürler. Yüksek uç televizyonlar video işleme, hareket interpolasyon ve yukarılarcaling. Oyun konsolları, Xbox ve PlayStation gibi, FPGA'nın önceki nesilleri gibi, son zamanlarda, FPGA'lar için bir ev buldu.

Havacılık ve Savunma

Güvenilirlik, güvenlik ve uzun vadeli kullanılabilirlik, uzay ve savunma uygulamaları gibi bir temel haline gelir. FPGAs yazılım tanımlı radyolarda (SDRs), radar işleme, elektronik savaş ve uydu iletişim. FPGA'lar şifreleme algoritmaları (the Microchip RTG4 veya AMD Xilinx Kintex UltraScale) sabit güvenlik durumlarının değiştirilmesini sağlar ve yüksek çözünürlükteki hataları azaltır.

Tıbbi ve Bilimsel Alet

Tıbbi görüntüleme sistemleri - CT tarayıcıları, MR makineleri ve ultrason cihazları gibi - FPGA'lara gerçek zamanlı olarak büyük miktarda ham sensör verileri işlemeye güven. FPGAs paralel doğası, kirişlerin görüntü yeniden yapılandırılması ve minimum gecikme ile filtreleme, bu da bilimsel araştırma için kritik olan, FPGA'lar güç yüksek enerji fiziği deneyleri (örneğin, CERN'in büyük Hadron Collider tetikleyicileri), radyo astronomi teleskopları (örneğin, düşük gecikmeli makineler için kritik olan) ve DNA sequencing makineleri.

Meydanlar ve düşünceler

Birçok faydalarına rağmen, FPGA'lar bir panacea değildir. Tasarımcılar bir FPGA kullanmaya karar verirken birkaç zorluk çekmelidirler.

Güç Tüketimi

FPGA'lar belirli görevler için güç verimli olsa da, statik güç (ceakaj) FPGA'nın kullanılmamış routing ve yapılandırma elemanları nedeniyle ASIC'lerin esnekliğine bağlıdır. Bazı durumlarda, AMD'nin Versal ACAP gibi özel bir ASIC bu boşluğun daraltılmasıdır.

Design Complexity

Bir FPGA yazılımı geliştirme ile kıyasla farklı bir beceri gerektirir. Donanım açıklaması dilleri dik bir öğrenme eğrisi ve zamanlama vardır - tüm sinyal yolları gerekli saat frekansları karşılamak için - özellikle de metastability, saat domain geçişi gibi kısıtlamalar göz önüne alındığında, el-coded RTL'yi birçok görev için daha az verimli sonuçlar üretebilirler.

Maliyetleri

Düşük hacimli üretim için, birim başına FPGA maliyetleri, büyük ölçekli ekonomilerden yararlanan mikro kontrol uygulamaları veya ASIC'lerinkinden daha yüksek. ancak NRE maliyetlerine faktör verirken, zaman-pazarlama ve güncelleme yeteneği, FPGA genellikle toplam mülk sahibi olmak için daha düşük maliyetli bir ürün için daha düşük maliyetli bir şekilde satışa geçiş yapabilir.

Güvenlik Vulner

FPGA'lar güvenlik tehditleri için bağışıklık değildir. Bitstream Interception, fullpering ve IP hırsızlığı endişelenir. Modern cihazlar şifreleme (AES-256), doğrulama (HMAC, RSA), ve anti-tamper özellikleri, batarya destekli anahtar depolama gibi geliştirmektedir. ancak, yan kanalsız fonksiyonlar (enerji analizi, elektromanyetik emisyon) eşsiz bir cihaz için anahtar bilgileri alabilir.

FPGAs'ın Geleceği

FPGA geliştirme noktalarının sıkı entegrasyon, daha yüksek performans ve daha geniş erişilebilirliğe doğru yol açıyor. Birkaç trend önümüzdeki on yıl boyunca şekillendirecek.

Sistem-on-Chip (SoC) FPGAs

Modern FPGAs zaten gömülü işlemciler (hard ARM çekirdeği, RISC-V yumuşak çekirdekler), hafıza kontrolörleri ve yüksek hızlı I/O. Bir sonraki nesil, gelişmiş AI motorlarını entegre edecek - AI Motor serisi gibi - veri akışı mimarisi ile birleştirir.Bu heterojen cihazlar tek bir çip üzerinde tam bir sistem tasarımı sağlar, yönetim alanı ve geç hızdaki bilgileri azaltır.

Open-Kay Toolchains

FPGA ekosistemi tarihsel olarak kapalıdır, satıcılardan özel araç zincirleriyle yapılır.#design # 0:0)Yosys) (synthesis), [[Döneticileri (Döneticileri ve güzergahı) ve [[Döneticileri [Döneticileri için))) ► Trellis) (örneğin Lattice parçaları için) erişime izin verir.

FPGA-as-a-Service (FaaS)

Bulut sağlayıcıları zaten FPGA örneklerini sunar, ancak FPGA-as-a-Service'a yönelik trend genişletecektir. Kullanıcılar tasarımlarını bulut erişilebilir FPGA havuzlarına yükleyebilecek, sadece hesaplama zamanı için ödeme yapacak, daha fazla geliştiriciyi teşvik edecektir.

Yapay Zeka ile entegrasyon

FPGA'lar, düşük çözünürlükte Arithmetic (binary sinir ağları, stochastic hesaplama) daha fazla verimlilik sağlar.In data center, FPGAs, nöral ağ uygulamaları için yeni silikonlar için grafikler olmadan, özellikle de zayıf noktalı birleştirici (binary sinir ağları, stochastic bilgisayar) daha fazla verimlilik sağlar.In data center, FPGA'lar ve 10 AMD'ler için daha fazla rekabet edecek.

Yazılım geliştiricileri için büyüme erişilebilirliği

Satışçılar, yazılım mühendisleri için program için daha kolay hale getirmek için ağır yatırım yapıyorlar. Yüksek seviyeli sentez (HLS) C++/SistemC, OpenCL ve şimdi Python (FPGA gibi çerçeveler) geliştiricilerin tanıdık dillere algoritmaları yazmalarına olanak sağlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Alan programlanabilir kapı Dizileri, kökenlerinden uzun bir yol kat etti, yapılandırılabilir yapıştırıcı mantığı. Bugün, dijital elektronik, uzaysal ve tıbbi ekipmana devam eden dönüşümlere, yüksek performanslıa ve enerji verimliliğine sahip olan sistemlere, doğal yeniden programlanabilirliklerine, paralel işleme yeteneklerine ve potansiyellerine odaklanacaklarını, FPGA'lar ve tıbbi ekipmanlara uygun olarak, daha kolay hale getirecekleri ve akıllı sistemlere uyum sağlamaları gibi konularda daha fazla bilgi sahibi olacaklar.