PCB Блог - FPGA и CPU: комплексное сравнение

Споры между FPGA и CPU остаются важной темой для профессионалов и энтузиастов. Полевая программируемая решетка дверей (FPGA) и центральный процессор (CPU) являются основными компонентами в проектировании и эксплуатации электронных систем, каждый из которых имеет свои уникальные характеристики, преимущества и приложения. 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 по программному обеспечению. Благодаря передовой архитектуре и высокой тактовой частоте, CPU характеризуется высокой скоростью выполнения последовательных задач. 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 предоставляет возможности параллельной обработки, присущие его архитектуре, которая состоит из ряда программируемых логических блоков и взаимосвязей. Эта структура позволяет создавать индивидуальные аппаратные схемы, адаптированные к конкретным функциям.

Вычислительная эффективность FPGA и CPU

Процессор хорошо справляется с задачами, требующими последовательной обработки, в которых 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. Настроив несколько логических блоков для одновременной работы, FPGA может выполнять множество операций параллельно, что значительно повышает производительность в конкретных приложениях, таких как цифровая обработка сигналов, обработка данных в реальном времени и индивидуальные вычислительные задачи.

FPGA и CPU

Области применения FPGA и CPU

Когда использовать CPU

Благодаря своей универсальности и простоте использования, CPU является идеальным выбором 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.

Настройка аппаратных решений: 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 передовые 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 разных подходов и 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.

Моделирование: проверка правильности путем моделирования тестовых конструкций.

Конвертировать HDL - код в сетевую таблицу, которая может быть отображена в логических блоках FPGA.

Макет и маршрутизация: в FPGA выделяются определенные логические блоки и маршруты.

Настройка: Загрузить дизайн 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 с точки зрения 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. Тем не менее, высокопроизводительные CPU могут стать дорогими для больших центров обработки данных или профессиональных приложений.

FPGA может быть дороже, чем CPU, особенно для высокопроизводительных или крупномасштабных моделей. Затраты включают в себя чипы FPGA, инструменты разработки и возможные дополнительные первоначальные затраты на разработку из - за сложности конструкции FPGA. Тем не менее, инвестиции FPGA в приложения, требующие индивидуального аппаратного решения или высокопроизводительной параллельной обработки, могут быть оправданы преимуществами производительности и энергоэффективности.

Будущие тенденции и события

Технологический прогресс CPU

Процессоры продолжают развиваться с развитием полупроводниковых технологий, улучшением архитектуры и интеграцией специализированных процессорных блоков. 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.