Blog de PCB - Comparación integral entre FPGAs y CPU

El debate entre FPGAs y CPU sigue siendo un tema importante para profesionales y entusiastas. La matriz de puertas programables en el campo (fpgas) y la unidad central de procesamiento (cpu) son los componentes básicos del diseño y funcionamiento del sistema electrónico, cada uno con características, ventajas y aplicaciones únicas. Comprender las diferencias entre cada método y los casos de uso adecuados puede comprender más profundamente su papel en la computación moderna.

Introducción a FPGAs y CPU

¿¿ qué es la cpu?

La unidad central de procesamiento (cpu) se llama generalmente el "cerebro" de la computadora. Es un procesador universal diseñado para realizar diversas tareas especificadas por instrucciones de software. Debido a la Arquitectura avanzada y la alta velocidad del reloj, la CPU se caracteriza por ser capaz de realizar tareas de procesamiento secuencial a alta velocidad. Las CPU modernas tienen múltiples núcleos que les permiten procesar el procesamiento paralelo hasta cierto punto.

¿¿ qué es fpgas?

La matriz de puertas programables en el campo (fpgas) es un circuito integrado digital que el usuario puede configurar después de la fabricación. esta programabilidad permite a la FPGAs personalizar para tareas o aplicaciones específicas. A diferencia de la cpu, la FPGAs proporciona inherentemente capacidad de procesamiento paralelo a través de su arquitectura, que consta de bloques lógicos programables y matrices de interconexión. Esta estructura permite crear circuitos de hardware personalizados personalizados para funciones específicas.

Eficiencia informática de FPGAs y CPU

La CPU es buena en tareas que requieren procesamiento secuencial y las instrucciones dependen en gran medida de los resultados de instrucciones anteriores. Su alta velocidad de reloj y su compleja arquitectura lo hacen adecuado para tareas de computación universales.

La FPGA proporciona un excelente rendimiento para las tareas de procesamiento paralelo. Al configurar varios bloques lógicos para operar simultáneamente, FPGAs puede realizar muchas operaciones en paralelo, logrando así una mejora significativa del rendimiento en aplicaciones específicas como procesamiento de señales digitales, procesamiento de datos en tiempo real y tareas de computación personalizadas.

FPGAs y CPU

Campo de aplicación de FPGAs y CPU ï

Cuándo usar la CPU

Debido a su versatilidad y facilidad de uso, la CPU es una opción ideal para una amplia gama de aplicaciones:

Computación universal: escritorios, computadoras portátiles y servidores.

Sistema operativo: un complejo sistema operativo que opera y gestiona diversas aplicaciones y hardware.

Desarrollo de software: entornos que requieren flexibilidad y actualizaciones frecuentes.

Procesamiento de datos: tareas que se benefician de las funciones de procesamiento secuencial de alta velocidad y procesamiento multitarea.

¿¿ cuándo usar fpgas?

La FPGAs se aplica a aplicaciones que requieren alto rendimiento, baja latencia y procesamiento paralelo:

Procesamiento de señales: procesamiento de audio, Video e imagen en tiempo real.

Telecomunicaciones: infraestructura de red que requiere transmisión y procesamiento de datos de alta velocidad.

Soluciones de hardware personalizadas: se necesitan aplicaciones que personalizan el hardware para misiones específicas, como aeroespacial y de defensa.

Prototipo: desarrollo rápido y prueba del diseño de hardware antes de entrar en la producción asic.

Desarrollo e implementación de FPGAs y CPU ï

El desarrollo de aplicaciones para CPU suele implicar lenguajes de programación de alto nivel como c, C + + y python. Estos lenguajes, así como una amplia gama de bibliotecas y herramientas de desarrollo, permiten un desarrollo, puesta en marcha y despliegue de software eficiente. El uso generalizado de la CPU y su compatibilidad con varios sistemas operativos la convierten en una opción conveniente para muchos desarrolladores.

El desarrollo de FPGAs requiere un enfoque diferente, generalmente relacionado con lenguajes de descripción de hardware (hdl), como VHDL o verilog. El proceso incluye:

Entrada de diseño: escribe Código hdl para describir las funciones de hardware necesarias.

Simulación: diseño de prueba de simulación para verificar su corrección.

Síntesis: convertir el Código hdl en una tabla de red que se puede mapear a un bloque lógico fpgas.

Colocación y enrutamiento: asignar bloques lógicos específicos y rutas de enrutamiento dentro de la fpgas.

Configuración: cargar el diseño en FPGAs para implementarlo.

Este proceso puede ser más complejo y largo que el desarrollo de software de cpu, pero para algunas aplicaciones, la mejora de rendimiento resultante puede ser enorme.

Consideraciones de costo

Las CPU se producen a gran escala y se benefician de economías de escala, lo que las hace relativamente rentables para la computación universal. El costo total de propiedad incluye no solo la propia cpu, sino también componentes relacionados, como memoria, almacenamiento y sistemas de enfriamiento. Sin embargo, para grandes centros de datos o aplicaciones privadas, las CPU de alto rendimiento pueden volverse caras.

La FPGAs puede ser más cara que la cpu, especialmente para modelos de alto rendimiento o grandes. Los costos incluyen chips fpgas, herramientas de desarrollo y posibles costos de desarrollo iniciales más altos debido a la complejidad del diseño de fpgas. Sin embargo, para aplicaciones que requieren soluciones de hardware personalizadas o procesamiento paralelo de alto rendimiento, la inversión de FPGAs se puede demostrar a través de las ventajas de rendimiento y la eficiencia de la fuente de alimentación.

Tendencias y desarrollos futuros

Avances en la tecnología de CPU

Con el progreso de la tecnología de semiconductores, la mejora de la arquitectura y la integración de unidades de procesamiento especiales, la CPU continúa desarrollándose. Tendencias como procesadores multicéntricos, aumento del tamaño de la caché y mejora del conjunto de instrucciones están diseñadas para mejorar el rendimiento y la eficiencia energética.

Avances en la tecnología FPGAs

Síntesis avanzada (hls): una herramienta que permite a los desarrolladores usar lenguajes de programación avanzados como C + + para escribir diseños de fpgas.

Integración de bloques duros: incluye bloques de hardware dedicados en fpgas, como procesadores ARM y transceptores de alta velocidad, para mejorar funciones y rendimiento.

Herramientas de desarrollo mejoradas: herramientas mejoradas de simulación, síntesis y puesta en marcha, que simplifican el proceso de diseño de fpgas.

En resumen, la elección entre FPGAs y CPU depende en gran medida de los requisitos específicos de la Aplicación. La CPU es multifuncional, fácil de desarrollar y adecuada para diversas tareas comunes. La FPGAs ofrece un rendimiento incomparable para aplicaciones de procesamiento profesional, de alta velocidad y paralelo, aunque la curva de aprendizaje es más empinada y el costo puede ser mayor.