Montaggio PCB FPGA

Che cos'è FPGA?

FPGA (Field Programmable Gate Array) è un chip di circuito riconfigurabile e un'architettura hardware riconfigurabile. Il design FPGA non è una semplice ricerca sui chip, ma utilizza principalmente la modalità FPGA per progettare prodotti in altri settori. Attraverso la programmazione, gli utenti FPGA possono cambiare il proprio scenario applicativo in qualsiasi momento. Può simulare varie operazioni parallele di CPU, GPU e altro hardware. Attraverso l'interconnessione ad alta velocità dell'interfaccia con l'hardware di destinazione, FPGA può completare la bassa efficienza operativa dell'hardware di destinazione, in modo da realizzare l'accelerazione a livello di sistema.

Il progettista del sistema può collegare i blocchi logici all'interno dell'FPGA tramite connessioni modificabili secondo necessità, proprio come un circuito stampato è inserito in un chip. Il blocco logico e il collegamento di un FPGA finito possono essere modificati in base al progettista, in modo che l'FPGA possa completare le funzioni logiche richieste.

In generale, FPGA è più lento di ASIC (chip integrato specifico dell'applicazione), che non può completare la progettazione complessa, ma il consumo energetico è basso. Ma hanno anche molti vantaggi, come i prodotti finiti veloci, possono essere modificati per correggere gli errori nel programma e il costo più economico. I produttori possono anche fornire FPGA economici ma scarsamente modificabili. Poiché questi chip hanno scarsa capacità modificabile, lo sviluppo di questi disegni viene completato su un FPGA ordinario e quindi il design viene trasferito su un chip simile ad ASIC.

Perché usare FPGA?

Oggi, la legge di Moore sui processori per uso generale (CPU) è nei suoi anni crepuscolari, mentre la scala del machine learning e dei servizi web sta crescendo esponenzialmente. Le persone utilizzano hardware personalizzato per accelerare le attività di calcolo comuni, ma il settore in rapida evoluzione richiede che questi hardware personalizzati possano essere riprogrammati per eseguire nuovi tipi di attività di calcolo.

FPGA è stato utilizzato come sostituto di piccoli lotti per chip speciali (ASIC) per molti anni. Tuttavia, negli ultimi anni, è stato distribuito su larga scala nei data center di Microsoft, Baidu e altre aziende per fornire potenza di calcolo potente e flessibilità sufficiente allo stesso tempo.

Allora perche' FPGA e' cosi' veloce? Questo è dovuto al foglio di coetanei.

CPU e GPU appartengono alla struttura von Neumann, alla decodifica ed esecuzione delle istruzioni e alla memoria condivisa. FPGA è un'architettura senza istruzioni e memoria condivisa, che rende l'efficienza energetica del chip FPGA molto superiore a quella della CPU e persino della GPU.

Nella struttura di Feng, poiché l'unità di esecuzione (come il core CPU) può eseguire qualsiasi istruzione, ci deve essere memoria di istruzioni, decoder, unità aritmetica di varie istruzioni e logica di elaborazione del salto di ramo. Poiché la logica di controllo del flusso di istruzione è complessa, è impossibile avere troppi flussi di istruzione indipendenti. Pertanto, la GPU utilizza SIMD (single instruction flow multiple data flow) per consentire a più unità di esecuzione di elaborare dati diversi allo stesso ritmo, e la CPU supporta anche le istruzioni SIMD.

La funzione di ogni unità logica di FPGA è stata determinata durante la riprogrammazione (masterizzazione), e non sono necessarie istruzioni.

Se la GPU viene utilizzata per l'accelerazione, al fine di sfruttare appieno la potenza di calcolo della GPU, la dimensione batch non può essere troppo piccola e il ritardo sarà fino a millisecondi. Quando si utilizza FPGA per accelerare, è richiesto solo un ritardo del pcle di microsecondi.

Allora perché il ritardo di FPGA è molto inferiore a quello della GPU? Si tratta essenzialmente di una differenza architettonica.

FPGA ha sia il parallelismo delle pipeline che il parallelismo dei dati, mentre la GPU ha quasi solo il parallelismo dei dati (la profondità della pipeline è limitata).

Quali sono le caratteristiche di FPGA?

Diciamo che FPGA appare come un circuito semi custom nel campo dei circuiti integrati specifici di applicazione (ASIC). Non solo risolve le carenze dei circuiti personalizzati, ma supera anche le carenze del numero limitato di circuiti gate dei dispositivi programmabili originali.

Rispetto al chip ASIC, una caratteristica importante di FPGA è la sua caratteristica programmabile, cioè, gli utenti possono specificare FPGA per realizzare uno specifico circuito digitale attraverso il programma. Inoltre, il chip FPGA è una delle migliori scelte per sistemi a lotti piccoli per migliorare l'integrazione e l'affidabilità del sistema.

Struttura interna di base dell'FPGA

Principali produttori di FPGA

1. Xilinx, la piattaforma di sviluppo è ISE

2. Altera, la piattaforma di sviluppo è Quartus II

3. Actel, la piattaforma di sviluppo è libera

4. Lattice, reticolo della piattaforma software radiante

5. Atmel

6. Xilinx, piattaforma software Vitis

7. Intel Altera, piattaforma software Quartus II

Piattaforma softphone, softphone 8

9. Micro Chip

Lo schema di sistema della scheda di sviluppo FPGA per realizzare elettronica di controllo e motore basata su MCU, ASIC personalizzato e cablaggio metallico ingombrante è stato sviluppato vicino ai suoi limiti tecnici e applicativi e l'industria automobilistica sta affrontando nuove sfide di progettazione.

I progettisti di elettronica automobilistica possono migliorare significativamente la loro capacità di affrontare più guasti utilizzando la tecnologia FPGA con intervallo di temperatura esteso. Sebbene molti fornitori di componenti utilizzino tecniche di progettazione preventiva e metodi limitati per simulare e simulare l'impatto ambientale, alcune architetture FPGA presentano ancora vantaggi intrinseci nel resistere all'intervallo di temperatura esteso.

Gli ambienti estremi spesso portano a modalità di guasto legate all'assemblaggio e all'imballaggio FPGA, indipendentemente dal dispositivo stesso. Pertanto, è molto importante prenotare la sala specifica a tutti i livelli del sistema elettronico automobilistico. I prodotti forniti dai fornitori FPGA come Xilinx e Actel hanno un ampio intervallo di temperatura militare, che può meglio definire il coefficiente di espansione termica ed evitare l'influenza dello stress termico.

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