Blogue PCB - Comparaison complète entre FPGA et CPU

Le débat FPGA - CPU reste un sujet important pour les professionnels et les amateurs. Les réseaux de portes programmables sur le terrain (FPGA) et les unités centrales de traitement (CPU) sont des composants essentiels à la conception et au fonctionnement des systèmes électroniques, chacun avec des caractéristiques, des avantages et des applications uniques. Comprendre les différences de chaque approche et les cas d'utilisation appropriés permet de mieux comprendre leur rôle dans l'informatique moderne.

Introduction aux FPGA et CPU

Qu’est - ce qu’un CPU?

Le processeur central (CPU) est souvent appelé le « cerveau» d'un ordinateur. C'est un processeur universel conçu pour effectuer diverses tâches spécifiées par des instructions logicielles. Grâce à une architecture avancée et à un taux d'horloge élevé, le CPU se caractérise par sa capacité à effectuer des tâches de traitement séquentiel à grande vitesse. Les CPU modernes ont plusieurs cœurs qui leur permettent de gérer le traitement parallèle dans une certaine mesure.

Qu’est - ce qu’un FPGA?

Un FPGA (Field Programmable Gate Array) est un circuit intégré numérique que l'utilisateur peut configurer après la fabrication. Cette programmabilité permet au FPGA d'être personnalisé pour des tâches ou des applications spécifiques. Contrairement aux CPU, les FPGA fournissent intrinsèquement une puissance de traitement parallèle grâce à leur architecture composée de blocs logiques programmables et de matrices interconnectées. Cette structure permet de créer des circuits matériels personnalisés adaptés à des fonctions spécifiques.

Efficacité de calcul FPGA vs CPU

Le CPU excelle dans les tâches qui nécessitent un traitement séquentiel et les instructions dépendent largement des résultats des instructions précédentes. Leur vitesse d'horloge élevée et leur architecture complexe les rendent adaptés aux tâches informatiques courantes.

Les FPGA offrent des performances exceptionnelles pour les tâches de traitement parallèle. En configurant plusieurs blocs logiques pour fonctionner simultanément, les FPGA peuvent effectuer de nombreuses opérations en parallèle, ce qui permet d'améliorer considérablement les performances dans des applications spécifiques telles que le traitement du signal numérique, le traitement des données en temps réel et les tâches de calcul personnalisées.

FPGA et CPU

FPGA et cpuï¼ domaines d'application

Quand utiliser le CPU

Le CPU est idéal pour un large éventail d'applications grâce à sa polyvalence et sa facilité d'utilisation:

Informatique universelle: ordinateurs de bureau, ordinateurs portables et serveurs.

Système d'exploitation: exécutez un système d'exploitation complexe qui gère une variété d'applications et de matériel.

Développement logiciel: environnement nécessitant flexibilité et mises à jour fréquentes.

Traitement des données: tâches bénéficiant d'un traitement séquentiel à grande vitesse et de fonctionnalités multitâches.

Quand utiliser un FPGA

Les FPGA sont adaptés aux applications nécessitant des performances élevées, une faible latence et un traitement parallèle:

Traitement du signal: traitement audio, vidéo et image en temps réel.

Télécommunications: infrastructure de réseau nécessitant la transmission et le traitement de données à haut débit.

Solutions matérielles personnalisées: applications nécessitant du matériel personnalisé pour des missions spécifiques, telles que l'aérospatiale et la défense.

Prototypage: développement et test rapides de la conception matérielle avant de passer à la production ASIC.

Développement et implémentation de FPGA avec cpuï¼

Le développement d'applications pour CPU implique généralement des langages de programmation de haut niveau tels que c, C + + et Python. Ces langages, ainsi qu'un large éventail de bibliothèques et d'outils de développement, permettent un développement, un débogage et un déploiement de logiciels efficaces. L'utilisation généralisée du CPU et sa compatibilité avec divers systèmes d'exploitation en font un choix pratique pour de nombreux développeurs.

Le développement FPGA nécessite une approche différente et implique généralement un langage de description matérielle (Hdl) tel que VHDL ou verilog. Le processus comprend:

Entrée de conception: Écrivez du Code HDL pour décrire les fonctionnalités matérielles requises.

Simulation: tester la conception par simulation pour vérifier son exactitude.

Composition: convertit le Code HDL en une table Web mappable en blocs logiques FPGA.

Placement et routage: allouer des blocs logiques spécifiques et des chemins de routage au sein du FPGA.

Configuration: chargez la conception sur le FPGA pour la mise en œuvre.

Ce processus peut être plus complexe et prendre plus de temps que le développement de logiciels CPU, mais pour certaines applications, l’amélioration des performances peut être énorme.

Considérations de coût

Les CPU sont produits en masse et bénéficient d'économies d'échelle, ce qui les rend relativement rentables pour l'informatique universelle. Le coût total de possession comprend non seulement le CPU lui - même, mais également les composants associés tels que la mémoire, le stockage et les systèmes de refroidissement. Cependant, pour les grands centres de données ou les applications dédiées, les processeurs haute performance peuvent devenir coûteux.

Les FPGA peuvent être plus chers que les CPU, en particulier pour les modèles hautes performances ou de grande taille. Les coûts comprennent les puces FPGA, les outils de développement et éventuellement des coûts de développement initiaux plus élevés en raison de la complexité de la conception des FPGA. Cependant, pour les applications nécessitant une solution matérielle personnalisée ou un traitement parallèle haute performance, l'investissement dans les FPGA peut être justifié par des avantages en termes de performances et d'efficacité énergétique.

Tendances et développements futurs

Les progrès de la technologie CPU

Les CPU évoluent constamment avec les progrès de la technologie des semi - conducteurs, l'amélioration de l'architecture et l'intégration d'unités de traitement dédiées. Des tendances telles que les processeurs multicœurs, l'augmentation de la taille du cache et l'amélioration des jeux d'instructions visent à améliorer les performances et l'efficacité énergétique.

Avancées technologiques FPGA

Advanced Synthesis (HLS): outil permettant aux développeurs d'écrire des conceptions FPGA en utilisant des langages de programmation de haut niveau tels que c + +.

Intégration de blocs durs: incluez des blocs matériels dédiés tels que des processeurs arm et des émetteurs - récepteurs haute vitesse dans le FPGA pour améliorer les fonctionnalités et les performances.

Outils de développement améliorés: des outils améliorés de simulation, de composition et de débogage qui simplifient le processus de conception des FPGA.

En conclusion, le choix entre un FPGA et un CPU dépend en grande partie des exigences spécifiques de votre application. Le CPU est polyvalent, facile à développer et adapté à une variété de tâches communes. Les FPGA offrent des performances inégalées pour les applications professionnelles, à haute vitesse et de traitement parallèle, bien que la courbe d'apprentissage soit plus raide et que les coûts puissent être plus élevés.