FPGA

FPGA (Field-Programmable Gate Array) [1] — это интегральные схемы, которые могут быть программируемыми для выполнения различных логических функций. В отличие от ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), которые предназначены для выполнения конкретных задач, FPGA можно перепрограммировать после производства для выполнения различных вычислительных задач.

1. 1. 1. Основные компоненты и архитектура FPGA:

1. **Логические блоки (Configurable Logic Blocks, CLBs)**:

  - Основной строительный блок FPGA. Каждый логический блок содержит несколько логических элементов (LE), которые могут выполнять простые логические операции, такие как AND, OR, NOT, и более сложные функции.
  

2. **Программируемые соединения (Interconnects)**:

  - Эти соединения позволяют связать логические блоки друг с другом. Программируемые соединения можно конфигурировать для создания сложных логических цепей.

3. **Входы/выходы (I/O Blocks)**:

  - Эти блоки обеспечивают связь FPGA с внешним миром, позволяя подключать различные периферийные устройства и интерфейсы.

4. **Память (Memory Blocks)**:

  - Некоторые FPGA включают встроенные блоки памяти, такие как RAM, которые могут использоваться для хранения данных или промежуточных результатов вычислений.

5. **Цифровые сигнальные процессоры (DSP Blocks)**:

  - Специализированные блоки для выполнения операций с плавающей точкой и других математических операций.

1. 1. 1. Принцип работы FPGA:

1. **Проектирование схемы**:

  - Процесс начинается с создания схемы или модели логики, которую нужно реализовать на FPGA. Это может быть сделано с помощью аппаратных языков описания (HDL), таких как VHDL или Verilog.

2. **Синтез и компиляция**:

  - Проект синтезируется и компилируется в набор конфигурационных данных, который определяет, как должны быть настроены логические блоки и соединения внутри FPGA.

3. **Конфигурация**:

  - Конфигурационные данные загружаются в FPGA через специальный интерфейс (например, JTAG). После загрузки FPGA начинает работать в соответствии с заданной логической схемой.

4. **Исполнение**:

  - После конфигурации FPGA начинает выполнять заданные логические операции. Логические блоки обрабатывают входные данные и генерируют выходные сигналы в соответствии с запрограммированной логикой.

1. 1. 1. Преимущества FPGA:

- **Гибкость**: Возможность перепрограммирования позволяет изменять функциональность FPGA в зависимости от потребностей. - **Параллелизм**: FPGA могут выполнять множество операций одновременно благодаря параллельной архитектуре. - **Производительность**: Высокая производительность при выполнении задач, требующих параллельной обработки данных. - **Энергоэффективность**: Обычно потребляют меньше энергии по сравнению с универсальными процессорами при выполнении специализированных задач.

1. 1. 1. Недостатки FPGA:

- **Сложность разработки**: Проектирование и программирование FPGA требует специальных знаний и опыта. - **Стоимость**: Некоторые высокопроизводительные модели могут быть дорогостоящими. - **Размер и потребление энергии**: Для некоторых применений размер и потребление энергии могут быть выше по сравнению с ASIC.