PCB Блог - Сравнение FPGA и CPU

Споры между FPGA и CPU остаются важной темой для профессионалов и энтузиастов. Полевые программируемые решетки дверей (FPGA) и центральные процессорные блоки (CPU) являются основными компонентами проектирования и эксплуатации электронных систем, каждый из которых обладает уникальными характеристиками, преимуществами и приложениями. Понимание различий и соответствующих вариантов использования каждого метода может дать более глубокое понимание их роли в современных вычислениях.

Профиль FPGA и CPU

Что такое CPU?

Центральный процессор (CPU) часто называют « мозгом» компьютера. Это универсальный процессор, предназначенный для выполнения различных задач, определенных директивой программного обеспечения. Благодаря развитой архитектуре и высокой тактовой скорости, процессор характеризуется высокой скоростью выполнения задач последовательной обработки. Современные CPU имеют несколько ядер, что позволяет им в определенной степени обрабатывать параллельную обработку.

Что такое FPGA?

Полевая программируемая дверная решетка (FPGA) - это цифровая интегральная схема, которую пользователь может настроить после изготовления. Эта программируемость позволяет FPGA настраивать для конкретных задач или приложений. В отличие от CPU, FPGA обеспечивает возможности параллельной обработки, присущие его архитектуре, состоящей из программируемых логических блоков и взаимосвязанных массивов. Эта структура позволяет создавать индивидуальные аппаратные схемы, адаптированные к конкретным функциям.

Вычислительная эффективность FPGA и CPU

Процессор хорошо справляется с задачами, требующими последовательной обработки, и инструкции в значительной степени зависят от результатов предыдущих директив. Их высокая тактовая скорость и сложная архитектура делают их пригодными для общих вычислительных задач.

FPGA обеспечивает превосходную производительность для параллельной обработки задач. Благодаря конфигурации нескольких логических блоков для одновременной работы FPGA может выполнять множество операций одновременно, что значительно повышает производительность в конкретных приложениях, таких как цифровая обработка сигналов, обработка данных в реальном времени и пользовательские вычислительные задачи.

FPGA и CPU

Сфера применения FPGA и CPUæ

Когда использовать CPU

Благодаря своей универсальности и простоте использования, CPU идеально подходит для широкого применения:

Общие вычисления: настольные компьютеры, ноутбуки и серверы.

Операционная система: сложная операционная система, которая управляет различными приложениями и оборудованием.

Разработка программного обеспечения: среда, требующая гибкости и частых обновлений.

Обработка данных: задачи, которые выигрывают от высокоскоростной последовательной и многозадачной обработки.

Когда использовать FPGA

FPGA подходит для приложений, требующих высокой производительности, низкой задержки и параллельной обработки:

Обработка сигналов: обработка аудио, видео и изображений в реальном времени.

Телекоммуникации: сетевая инфраструктура, требующая высокоскоростной передачи и обработки данных.

Пользовательские аппаратные решения: приложения, требующие настройки аппаратного обеспечения для конкретных задач, таких как аэрокосмическая и оборонная.

Прототип: быстрая разработка и тестирование аппаратного дизайна перед входом в производство ASIC.

Разработка и реализация FPGA и CPU

Разработка приложений для CPU обычно включает в себя продвинутые языки программирования, такие как C, C + + и Python. Эти языки, а также широкий спектр библиотек и инструментов разработки позволяют эффективно разрабатывать, отлаживать и развертывать программное обеспечение. Широкое использование CPU и его совместимость с различными операционными системами делают его удобным выбором для многих разработчиков.

Разработка FPGA требует другого подхода, который обычно включает в себя язык описания оборудования (HDL), такой как VHDL или Verilog. Этот процесс включает:

Статьи дизайна: Напишите HDL - код для описания необходимых аппаратных функций.

Имитация: проверка правильности посредством моделирования тестового дизайна.

Синтез: преобразование кода HDL в сетевую таблицу, отображаемую в логических блоках FPGA.

Размещение и маршрутизация: выделение определенных логических блоков и маршрутов в FPGA.

Настройка: Загрузка дизайна на FPGA для реализации.

Этот процесс может быть более сложным и трудоемким, чем разработка программного обеспечения CPU, но для некоторых приложений повышение производительности может быть значительным.

Соображения в отношении расходов

Процессоры производятся в больших масштабах и получают выгоду от эффекта масштаба, что делает их относительно рентабельными для общих вычислений. Общая стоимость владения включает в себя не только сам ЦП, но и связанные с ним компоненты, такие как память, системы хранения и охлаждения. Однако для больших центров обработки данных или специализированных приложений высокопроизводительные CPU могут стать дорогими.

FPGA может быть дороже, чем CPU, особенно для высокопроизводительных или больших моделей. Стоимость включает в себя чипы FPGA, инструменты разработки и, возможно, более высокие первоначальные затраты на разработку из - за сложности конструкции FPGA. Тем не менее, для приложений, требующих настраиваемых аппаратных решений или высокопроизводительной параллельной обработки, инвестиции FPGA могут быть продемонстрированы преимуществами производительности и энергоэффективности.

Будущие тенденции и события

Прогресс в технологии CPU

С развитием полупроводниковых технологий, улучшением архитектуры и интеграцией специализированных процессоров процессоры продолжают развиваться. Такие тенденции, как многоядерные процессоры, увеличение размера кэша и увеличение набора команд, направлены на повышение производительности и энергоэффективности.

Технологические достижения FPGA

Усовершенствованный синтез (HLS): инструмент, позволяющий разработчикам писать FPGA - дизайн на продвинутых языках программирования, таких как C + +.

Интеграция жестких блоков: включает в себя специализированные аппаратные блоки, такие как процессоры ARM и высокоскоростные приемопередатчики, в FPGA для повышения функциональности и производительности.

Улучшенные инструменты разработки: улучшенные инструменты моделирования, синтеза и отладки, упрощающие процесс проектирования FPGA.

Короче говоря, выбор между FPGA и CPU в значительной степени зависит от конкретных требований приложения. Процессор многофункциональный, простой в разработке и подходит для широкого спектра общих задач. FPGA обеспечивает непревзойденную производительность для профессиональных, высокоскоростных и параллельных приложений, хотя кривая обучения более крутая и может быть более дорогостоящей.