FPGA'lar neden her yerde bulunmuyor?

FPGA'ları okumak, eğer doğru anlıyorsam, temelde tamamen yapılandırılabilir mantık geçit devreleridir. Bu olmak, onlarla bir şey tasarlayabilirsiniz. Kişi her şeyi mümkün olan en özel şekilde tasarlayabilir ve böylece aynı uçları bir mikrodenetleyici kullanarak elde edilebilecek çok daha verimli bir şekilde karşılayabilir. Buna sahip olarak, bir FPGA herhangi bir zamanda, herhangi bir zamanda bir mikroişlemciyi yener gibi görünüyor. Öyleyse sorum şu ki, eğer FPGA'lar gerçekten bu harikasa, mikrodenetleyicilerden daha yaygın olmalarını engelleyen şey nedir? Bu açıdan bana göre FPGA'lar mikrodenetleyicileri uzun süre önce silmiş olmalıydı. Peki neden bu böyle değil? Bir FPGA'yı programlamanın maliyeti, zorluğu mu yoksa tamamen başka bir şey mi?

Tasarım seçimlerinde rol oynayan birçok faktörü görmezden geliyorsunuz:

1. Maliyet . FPGA'lar aynı mantık karmaşıklığı için mikroplardan daha pahalıdır.

2. Mantık karmaşıklığı . Yürütülebilir kod, doğrudan kullanılan mikrodaki aynı sayıda kapıdan çok daha karmaşık bir mantık uygulayabilir.

3. Geliştirme kolaylığı . Yürütülebilir kod yazmak, küçük sorunlar dışında herkes için mantık tanımlamaktan daha kolaydır. En mütevazı mikrodenetleyici projelerin bile binlerce kod satırı vardır. Eşdeğer mantık tanımlarını geliştirmek çok daha uzun sürer ve hata ayıklamak ve doğrulamak çok daha zor olacaktır.

4. Güç tüketimi . FPGA'lar, mikroların kullanamayacağı yüksek hızda işlemler için tasarlandığından (başka bir mikro kullanırsınız), düşük güç için optimize edilmemişlerdir. Bu, bazı düşük güçlü uygulamalar için onları uygun kılmaz. Bazı mikroskoplar 1 AA'nın altındaki uyku akımlarına sahiptir ve yavaş saat hızlarında sadece birkaç aA'da çalışabilir. Bunu yapabilecek bir FPGA bulmaya çalışın.

FPGA'ların mikroplara göre temel avantajları, daha hızlı olmaları ve paralel olarak daha fazla şey yapabilmeleridir. Bunun dışında bir mikro kullanmayı tercih edersiniz. Bu nedenle tasarım sürecinde, genellikle bir mikro ile başlar, daha sonra gerçekten hıza ve / veya eşzamanlı yüksek hızlı çalışmaya ihtiyaç duyduğunuzda istemeden FPGA'ya gidersiniz. O zaman bile, sadece hız açısından kritik parçaları FPGA'da uygular ve düşük hız kontrol fonksiyonlarını ve benzerlerini mikroda bırakır.

Burada ayrıntılı olarak görmediğim bir ayrım, FPGA'ların işlemciler için tamamen farklı bir şekilde kullanılması ve davranmasıdır .

Bir FPGA aynı görevi tekrar ve tekrar yapmakta gerçekten iyidir. Örneğin, video, ses veya RF sinyalleri işleniyor. Veya Ethernet paketlerini yönlendirme. Veya sıvı akışını simüle edin. Size çok fazla aynı türden veri attığınız veya gerçekten hızlı bir şekilde attığınız ve bunların hepsini aynı şekilde ele almak istediğiniz durumlar. Veya aynı algoritmayı tekrar tekrar çalıştırmak istersiniz. FPGA gerçekten [1] 'i başlatan ve durduran' görevlere 'sahip değil; tüm işi, olduğu sürece, aldığı veriyle aynı şeyi yapmak. Vites değiştirmiyor, başka bir şey yapmıyor. Nihai üretim hattı çalışanıdır. Sonsuza kadar, aynı şeyi tekrar tekrar, olabildiğince hızlı bir şekilde yapacaktır.

İşlemciler ise, esnekliğin özüdür. Herhangi bir şey yapmak için programlanabilirler ve aynı anda birden fazla şey yapmak için programlanabilirler. Başlayan ve duran görevleri var, vites değiştiriyorlar, çoklu görevler sürekli değişiyor ve işlevleri değiştiriyorlar.

FPGA ve CPU tam karşıtlardır. CPU'nun emtia zamanı geldi - işleri daha hızlı halletmesi gerekiyor. Uygulamanız ne kadar hızlı çalışırsa, o kadar iyidir.

FPGA'nın meta alanıdır. FPGA'nız sadece çok büyük ve istediğiniz görevi yerine getirebilecek çok sayıda kapı var. Zamanın büyük çoğunluğu, mesele hızdan daha büyüktür [2].

Bir FPGA'nın CPU gibi hareket etmesi mümkündür. Bir CPU IP çekirdeğini bir FPGA'ya yerleştirebilirsiniz, ancak diğerlerinin tarif ettiği nedenlerden dolayı haklı göstermek çok zordur [3]. FPGA ve CPU, hem kendi güçlü ve zayıf yönlerine sahip hem de sonuçta kendi yerlerine sahip olan karşıtlardır.

Notlar:

1) Bir FPGA farklı görevleri yerine getirmek için tasarlanabilir, ancak o zaman bile önceden tasarlandığı belirli bir sayı olurdu.

2) Hız aynı zamanda bir FPGA tasarım özelliğidir. Gerçekten hız ve boyut arasında bir takas.

3) Bir İşlemciyi FPGA'ya yerleştirmek nispeten sık yapılır, ancak belirli uygulamalara bağlı olarak duruma göre yapılır. Örneğin, gerçekten küçük bir mikrodenetleyiciye ihtiyacınız varsa ve fazladan FPGA alanına sahipseniz.

Ve son olarak: Bu cevap büyük bir sadeleştirmedir - FPGA'lar çok çeşitli ve karmaşık şekillerde kullanılır ve bu genel olarak nasıl kullanıldığına dair çok kısa bir bakış niteliğindedir.

Olin'in dediği gibi, mikro gibi bir şey birçok görev için daha verimlidir ve bir FPGA'nın göründüğü her yerde kullanılan bir mikro bulacaksınız. Kullanılan silikon alanı (doğrusal olmayan bir şekilde maliyete dönüşür) ve güç tüketimi çok daha azdır. Bu nedenle, bir FPGA üzerine 'yumuşak' bir MCU uygulamak nadir değildir, ancak böyle bir mikro ürünün maliyeti ve performansı oldukça düşüktür.

Bazı modern FPGA'lar, her yerde bulunan ARM serisi gibi bir veya daha fazla 'sert' çekirdek içerir. Ayrıca, bellek kapıları yapmak için gerçekten yetersiz olduğu için özel bellek blokları içerebilirler. 32 bitlik bir mikro çekirdek, tipik bir FPGA'daki silikon alanın çok küçük bir kısmını kaplar ve bu da size göreceli maliyetler hakkında bir fikir verir.

Gelişme önemli ölçüde daha zordur ve IP, mikroskoplar ve özel SOC çözümleri için serbest bir şekilde bulunma eğilimindedir - örneğin LCD kontrolörleri, PCI arayüzleri, Ethernet MAC'leri. Bunun nedeni, HDL mantık açıklamalarını açıklayarak, yalnızca tasarımın başlatılmasını değil, tasarımı aktarmalarıdır. Bir başka neden de, performansın FPGA’daki mantık düzenine dayanmasıdır, bu gelişme sırasında çok fazla çaba gerektirir.

Diğer bir komplikasyon, çoğu karmaşık FPGA'nın konfigürasyon için RAM-tabanlı olması ve işlem maliyetlerinin, konfigürasyonun saklanması ve herhangi bir MCU için program hafızasının yerleştirilmesi için harici kalıcı hafızanın gerekli olmasıdır. Bu hafızanın açılışta RAM'e yüklenmesi gerekir.

FPGA'lar araç kutusundaki son derece yararlı araçlardır, ancak yakında herhangi bir zamanda evrensel olarak MCU'ları veya ASIC'leri değiştirmeyeceklerdir.

Bir iş için silikonun en iyi kullanımı bir ASIC'dir, boşa harcanan hiçbir şey değildir, ancak çok büyük öğrenme eğrisi, NRE ve esnekliği yoktur.

Bir çip içine esneklik kazandırmanın iki yolu vardır. a) Alanı optimize edilmiş bir ALU’ya sahip olun ve depolanan verilerde tekrar tekrar kullanın. Buna MCU denir ve 'hiçbir şey yapmayan' geniş bir silikon alanı, program hafızası, üniteden üniteye çalışan geniş veriyolu ve veri yolu erişim anahtarları gerektirir. b) Çarpanlar, küçük RAM'ler ve basit CPU'lar gibi isteğe bağlı az yer kaplayan birkaç parçaya sahip, iyi ayarlanmış bir mantık var. Buna FPGA adı verilir ve programlanabilir anahtarlar ve bağlantı hatları için 'hiçbir şey yapmayan' geniş bir silikon alanı gerektirir.

Açıkçası bu yapılarla, MCU'lar seri parçalara bölünebilecek işler için en iyi şekilde çalışırlar ve FPGA'lar yüksek hızlı paralel çalışmaya ihtiyaç duyan işler için en iyi şekilde çalışır. Uygulama ağır olduğunda ve maliyetin silikon maliyetine hâkim olduğu durumlarda, bu iki tür doğal olarak kullanılacaktır.

Uygulama hafif ancak yüksek hacimli olduğunda, maliyet silikondan ziyade ambalaj tarafından domine edilir ve her iki tip de uygulanabilir. Altera, bir avuç dolarlık MCU'larla rekabet edebilecek çok küçük çok düşük güçlü FPGA'lara sahiptir.

Düşük hacimli uygulamalar için, geliştirme maliyeti baskın olma eğilimindedir ve hızları olduğunu varsayarak MCU'lar kazanır.

Güç tüketimi ve silikon kullanımı açısından bir FPGA, bir mikroişlemciye kıyasla çok zayıf.

Bir FPGA, mantık konfigürasyon devresindeki silikon alanının çoğunu mikro için geçerli olmayan bir şey kullanır. Özel bir mikroişlemci uygulaması için gerekenden daha fazla ara bağlantı olması gerekir.

FPGA, bir mikroişlemci gibi atanmış bir ASIC'den daha fazla güç tüketir çünkü mantık etkin şekilde uygulanmaz.

Bir FPGA'da gerçekleştirilebilecek olan herhangi bir fonksiyon, özel bir ASIC'de daha verimli, daha ucuz, daha düşük güç tüketimi, daha küçük tahta alanı vb. İle yapılabilir. Bu, hacimlerin NRE'yi dengelemek için yeterince büyük olduğunu varsayar.

Mikroişlemci tabanlı dsystems ve daha sonra Mikrodenetleyiciler, farklı zamanlardaki birçok farklı görevi yerine getirmek için ayrı ayrı devre parçalarını kullanma kabiliyetleri sayesinde muazzam bir işlevsellik derecesi elde etmişlerdir. Dünyanın ikinci mikroişlemci kontrollü oyun makinesinde çalışan Combat oyunuyla 1976'da tasarlanan Atari 2600 arcade makinesini Tank karşılaştırmak için öğretici olduğunu düşünüyorum. Tank gibi oyunları en düşük maliyetle uygulamak; Farklı ROM kartuşları takarak farklı oyunlar oynamanın güzel bir ikramiye olmasıydı.

Oyun Tankı, iki oyuncunun ekran etrafında tank kullanmasına ve birbirlerine ateş etmesine izin veriyor. Her tankın X ve Y konumu, her oyuncunun atışlarının X ve Y konumu, her oyuncunun açısı için yukarı / aşağı sayacı ve her oyuncunun atış açısı için her bir oyuncunun puanı, X ve Y raster-ışını için bir "kayma" sayacı vardır - konumlandırma sayaçları ve bunlara ek olarak birçok kontrol devresi. Oyun alanı verilerini ROM'dan almak ve görüntülemek için bir donanıma sahip olduğu gibi, iki oyuncunun tankları için şekilleri alacak ve ROM'dan aldığı puanları gösterecek ve bunları gösterecek donanıma sahiptir.

Atari 2600, iki oyuncu nesnesinin her birinin, iki füze nesnesinin her birinin yatay konumları ve Savaşta kullanılmayan ancak diğer oyunlarda kullanılan "top" olarak adlandırılan bir ek nesneye sahiptir. Oynatıcı nesnelerinin her biri için, 8 bitlik bir mandala içinde saklanan bir modelin çıktısı için donanıma ve diğer oyuncu ne zaman olursa olsun, birincil 8 bitlik mandala kopyalanan her oyuncu için "gecikmeli" sekiz bitlik bir mandala şekli güncellendi. Ayrıca yatay bir ışın pozisyonu sayacına ve tarama çizgisi başına iki kez ekrana çıkan 20 bitlik oyun alanı şeklinde bir mandala sahiptir; sağ taraftaki kopya, solun tekrarı veya yansıması olarak görünür. Çarpışmaları tespit etmek için bir donanıma sahiptir, ancak bunların bir sonucu olarak hiçbir şey yapmaz. It does not herhangi bir nesnenin dikey pozisyonu için herhangi bir donanıma veya tarama ışınının dikey pozisyonu (!) için herhangi bir donanıma sahip olma veya puan tutma, skor gösterme, oyun süresi vb. ile ilgili herhangi bir donanıma sahip değildir.

2600 omits donanımının kullanıldığı tüm fonksiyonlar, kartuştaki yazılım tarafından gerçekleştirilir. Her nesnenin dikey pozisyonunu tarama çizgisi başına bir kez raster-ışın pozisyonuna göre kontrol etmek yeterlidir, sadece oyuncunun puanını ve kalan oyun süresini kare başına en fazla bir güncellemek gerekir, oyuncuların skorları oyun alanının üstündeki tarama satırlarında saklanır. ve böylece oyun alanı vb. için kullanılan aynı donanımı paylaşabilir.

Bir FPGA'da "Tank" gibi bir oyunun uygulanmasına yönelik normal yaklaşım, farklı işlevler için 1976 arcade makinesinin yaptığı gibi farklı devreler kullanmak olacaktır. Böyle bir yaklaşım işe yarar, ancak önemli miktarda donanım kullanır. Mikroişlemci tabanlı bir yaklaşım, mikroişlemci ekleme karşılığında bu donanımın yarısından fazlasını ortadan kaldırabilir; bu, büyük olasılıkla değiştirilen donanımdan daha az devre içerecektir (2600, Tank'tan çok daha fazla donanım gerektiren oyunlar uygulayabilir). Bir mikroişlemci kullanmadılarsa).

FPGA'lar aynı anda birçok basit görevi gerçekleştirebilecek bir cihaza ihtiyaç duyduğu durumlarda mükemmeldir . Mikroişlemci tabanlı (veya mikrodenetleyici tabanlı) sistemler genellikle daha iyidir, ancak yapılması gereken birçok işin olduğu durumlarda, ancak aynı anda işlenmesi gerekmez, çünkü küçük bir miktar kullanmayı kolaylaştırırlar. Devrelerin çok sayıda farklı amaçlara ulaşmak için.

Bu tamamen maliyet. Bir mikro 30 sent kadar düşük olduğunda, ucuz bir FPGA 5 $ bölgesindedir. Maliyet o kadar yüksek görünmeyebilir, ancak 10 milyon dolara satmak için bir milyon dolarlık bir yenilik oyuncak yaptığınızda, FPGA'nın fiyatı alt sıranızı düşürür.

Sadece diğer çok iyi cevaplara eklemek için, FPGA'nın benimsenmesinin de bir etki alanı olduğunu düşünüyorum: örneğin, nöromorfik cihazlar için, FPGA panelleri oldukça yaygın bir hal almaktadır çünkü paralellik için çok büyük bir ihtiyaç vardır, bu da güçlü bir noktadır. FPGA.

Nöromorfik cihazlar için gördüğümüz eğilimi tahmin ediyorsanız, paralellik temelli veya kritik olarak gerekli olan diğer alanların paralelliği muhtemelen FPGA'ları daha fazla benimseyeceği hayal edilebilir. Bu yüzden belki FPGA tüketici sınıfı ürünler için her yerde bulunmaz, ancak şu anda nöromorfik cihazlar için olduğu görülüyor gibi belirli alanlar için olabilir.