Введение в ПЛИС и программируемую логику

Это видео представляет собой вводную презентацию о FPGA и технологии программируемой логики. Я выступил с этим 45-минутным докладом на мероприятии, организованном 7 Peaks Software в Бангкоке, Таиланд, 19 ноября 2019 года.

Основные моменты презентации включают:

• 05:07 Кто использует ПЛИС?
• 09:06 Что такое ПЛИС?
• 12:13. Как эмулировать логические элементы с помощью статической оперативной памяти.
• 17:47 Общие примитивы FPGA
• 19:51 Самая дешевая и самая дорогая FPGA
• 20:53 План этажа FPGA
• 24:30 VHDL
• 28:05 Синтез, место и маршрут
• 30:50 Мягкие ядра
• 33:15 Гибрид ПЛИС/ЦП (Zynq-7000)
• 36:44 Преимущества и недостатки FPGA
• 40:28 Примеры продуктов, содержащих FPGA
• 45:18. Бесплатные учебные ресурсы на сайте VHDLwhiz.com.

Кто использует ПЛИС?

Существует широкий спектр приложений для технологии FPGA. Продукты, начиная от спутников в космосе и заканчивая торговыми роботами на Уолл-стрит, используют программируемую логику. Ниже перечислены некоторые отрасли, которые, как известно, активно используют ПЛИС.

Защита

Оборонная промышленность находится в отличном положении, чтобы извлечь выгоду из пользовательских реализаций FPGA. У них большие деньги и высокие требования к качеству. Перечни спецификаций их продуктов часто являются экстремальными, потому что оборудование военного класса является уровнем надежной разработки, намного превышающим потребительские и промышленные классы. Их бюджеты всегда высоки, а иногда и практически неограничены, поскольку они поступают из стабильного источника, например, при поддержке правительства.

Все вышеперечисленное является причиной того, что ПЛИС широко используются в оборонных приложениях. Не только для оружия, но и для таких вещей, как устройства радиосвязи и испытательное оборудование. Я работал в промышленности. Подробнее о моем опыте работы инженером ПЛИС в оборонной промышленности можно прочитать здесь.

Пробел

ПЛИС широко используются в космической отрасли. Есть много причин, почему они хорошо подходят для спутников. Они по своей природе маломощны, их можно сделать радиационностойкими, а проверить правильность работы ПЛИС проще, чем ПО, работающее на ЦП или микроконтроллере.

Многие электронные конструкции в космосе предназначены для таких вещей, как управление интерфейсом, считывание данных датчиков, обработка сигналов или системы управления, задачи, которые хорошо подходят для FPGA. Кроме того, космические приложения часто подпадают под те же требования надежности, которые являются стандартными для аэрокосмической отрасли.

Аэрокосмическая промышленность

Аэрокосмическая промышленность любит ПЛИС по многим из тех же причин, что и космическая промышленность, но, что более важно, потому что легче проверить правильность ПЛИС, чем программного обеспечения.

Доказать, что компьютерная программа не имеет непреднамеренных последствий, сложно и требует много времени. Международные стандарты для бортовых систем требуют, чтобы электроника, используемая в самолетах, соответствовала строгим требованиям проверки.

В то время как программное обеспечение должно соответствовать авиационному стандарту DO-178C, ПЛИС подпадают под действие руководства по обеспечению проектирования DO-254 для бортового электронного оборудования. В большинстве случаев проще и дешевле удовлетворить требования аппаратного стандарта, чем для соответствующей программной реализации.

Автомобилестроение

Производители транспортных средств используют FPGA для таких вещей, как управление дизельными двигателями в грузовиках, а также для автоматизированных систем вождения. В современных автомобилях можно найти даже коммуникационные и развлекательные системы с ускорением FPGA.

Кроме того, электрические и гибридные транспортные средства, вероятно, будут использовать FPGA для задач управления двигателем. Трехфазные асинхронные двигатели требуют строгого контроля времени магнитных полей при вращении двигателя. Любая неточность приведет к снижению энергоэффективности.

Телекоммуникации

Телекоммуникационная инфраструктура использует множество технологий FPGA. Как уже упоминалось, FPGA являются стандартными для космических приложений, таких как спутники связи. Другие области применения FPGA в телекоммуникационной отрасли включают сетевые маршрутизаторы и беспроводные базовые станции.

Для потребительского телекоммуникационного оборудования, такого как мобильные телефоны, ПЛИС не так распространены. Вы, скорее всего, увидите ASIC, чем FPGA для пользовательского решения в мобильном телефоне. Несмотря на то, что первоначальная стоимость производства ASIC намного выше, чем производство FPGA, они по-прежнему экономичны из-за больших объемов продаж мобильных телефонов.

Центры обработки данных

Все крупные технологические компании разрабатывают индивидуальные решения FPGA для использования в своих центрах обработки данных. FPGA необходимы для того, чтобы они могли обрабатывать такие большие объемы данных с такой низкой задержкой.

Трудно найти подробности о том, какие проблемы они решают с помощью ПЛИС. Тем не менее, судя по косвенным признакам, таким как списки вакансий, становится очевидным, что они в значительной степени полагаются на ПЛИС. Такие сервисы, как Amazon AWS, Microsoft Azure, Google и Facebook, частично стали возможными благодаря ПЛИС.

Высокочастотная торговля

Алгоритмическая высокочастотная торговля на фондовом рынке (HFT) заключается в том, чтобы обрабатывать цифры быстрее, чем конкуренты. Компании, которые занимаются этой деятельностью, делают все возможное, чтобы снизить задержку своих конвейеров обработки.

Их серверы расположены физически рядом с фондовой биржей, и они инвестируют в самое быстрое компьютерное оборудование, которое можно купить за деньги. Когда конкуренты используют ЦП и ГП, вы обращаетесь к ПЛИС. Тогда они смогут немного быстрее проводить статистический анализ поступающих рыночных данных и зарабатывать больше денег.

Добыча криптовалют

За последние несколько лет ПЛИС пережили ренессанс среди основного ИТ-сообщества. Из-за ажиотажа вокруг биткойнов многие обычные люди слышали о ПЛИС.

Экономика майнинга криптовалюты заключается в управлении счетами за электроэнергию. Монета должна стоить больше, чем вы заплатили за электроэнергию для ее добычи, чтобы она была прибыльной.

Пользовательское решение FPGA обычно более энергоэффективно, чем алгоритм, работающий на ЦП или даже на графическом процессоре. За последние годы появилось много финансируемых за счет краудфандинга плат для майнинга FPGA.

Примеры продуктов, содержащих ПЛИС

ПЛИС не так часто встречаются в бытовой электронике. Тем не менее, тому есть множество примеров. Ниже приведены несколько продуктов, о которых вы, возможно, слышали и которые содержат ПЛИС.

HTC Vive

В этой гарнитуре VR используются три ПЛИС Lattice, как видно из этого разбора. Неясно, какова цель ПЛИС в этой конструкции.

Однако это устройства с относительно небольшой емкостью, поэтому можно предположить, что они предназначены для управления интерфейсом или считывания данных с датчика, а не для обработки изображений.

Вэймо Google

Беспилотный автомобиль Google работает на технологии FPGA. Проект все еще находится на стадии разработки, а ПЛИС отлично подходят для прототипирования.

В упомянутой статье говорится, что они используют FPGA для «обработки датчиков», которые могут быть системами LiDAR, которые есть в автомобиле.

Айфон 7

Редко можно найти FPGA в мобильном телефоне. ASIC обычно более экономичны из-за больших объемов производства мобильных телефонов. Несмотря на это, в iPhone 7 используется FPGA.

Связанная статья предполагает, что это может быть связано с какой-то новой функцией искусственного интеллекта (ИИ). Возможно, Apple еще не закончила работу с этим конкретным оборудованием, и ей нужна была возможность отправлять аппаратные обновления по беспроводной сети (OTA) для этого чипа. Это инновационное использование ПЛИС.

Apple Afterburner

Графический ускоритель высокого класса от Apple может отображать до 3 видеопотоков 8k ProRes RAM одновременно в режиме реального времени.

Интересно, что он использует FPGA для выполнения тяжелой работы. Обработка изображений — это то, с чем FPGA действительно хорошо справляются. Возможно, им нужно было создать специальное решение, потому что графические процессоры не могли достаточно быстро обрабатывать видео 8K.

G-Sync от Nvidia

Карта Nvidia G-Sync синхронизирует выходные данные видеокарты с частотой обновления экрана. Если вы играете на ПК, возможно, вы слышали о V-Sync, программном решении Nvidia для решения этой проблемы.

Синхронизация частоты кадров — это пример задачи, которую легко выполнить на аппаратном уровне, но которая потребляет много ресурсов ЦП при выполнении с помощью программного обеспечения.

Осциллограф Sigilent

Sigilent SDS 1202X-E — это 200-мегагерцовый 2 + 1-канальный осциллограф. Разборка, проведенная EEVblog , показывает, что в нем работает, гибридный процессор Xilinx Zynq-7000/FPGA.

Чип Zynq-7000 имеет два жестких процессора ARM и встроенную программируемую часть FPGA. Преимущество использования Zynq заключается в том, что вы можете запускать Linux на части системы обработки (PS). В Linux вы можете использовать все высокоуровневые библиотеки графического интерфейса для создания красивого пользовательского интерфейса.

В то же время вы можете получать данные датчиков на высоких скоростях, используя пользовательскую логику в части программируемой логики (PL) чипа. Соединение между частями PS и PL имеет очень высокую пропускную способность, поскольку оно находится в одном и том же кремниевом кристалле. В целом, это отличный чип для создания высокопроизводительных приложений Интернета вещей (IoT).

Ультрамайнер ПЛИС

UltraMiner – один из многих майнеров FPGA, появившихся за последние годы благодаря краудфандингу. Кампания по финансированию все еще продолжается на момент написания.

Согласно преимуществам на странице проекта, его энергоэффективность в четыре раза выше, чем у майнера на GPU.

Время гальки

Pebble – это первые смарт-часы, которые были собраны в рамках кампании на Kickstarter в 2012 году. В них используется крошечный FPGA для управления ЖК-дисплеем.

Если у вас есть Pebble, вы все время ходите с ПЛИС на запястье. Прошивка для управления Pebble с открытым исходным кодом, код для взаимодействия с FPGA есть в их репозитории на GitHub.

Хотите научиться программировать ПЛИС?

Чтобы создать логику для FPGA, вам нужно использовать язык описания оборудования (HDL). Этот блог посвящен VHDL, одному из двух популярных языков HDL.

Вы можете бесплатно попробовать программирование VHDL на своем компьютере, не выходя из дома. Каждая разработка VHDL начинается с симулятора, а бесплатные учебные пособия по основам VHDL научат вас моделировать с помощью студенческой версии самого популярного симулятора VHDL:ModelSim.

Учебные ресурсы VHDLwhiz

БЕСПЛАТНО: Основные учебные пособия по VHDL

ПРЕМИУМ: Курс Dot Matrix FPGA и VHDL

FPGA и VHDL Fast-Track:практический опыт для начинающих

Вы знакомы с программированием, но плохо знакомы с VHDL?

Вам нужно краткое введение в эту незнакомую тему?

Ваш график загружен, и на учебу не осталось времени?

Изучите основы разработки ПЛИС с использованием VHDL за несколько вечеров! Этот курс предназначен для ИТ-специалистов и студентов, которым необходимо быстро освоить предмет. Благодаря этому курсу и недорогой макетной плате Lattice iCEstick вы сможете разрабатывать реальное оборудование в течение нескольких часов.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше и зарегистрироваться:
FPGA и VHDL Fast-Track:практические занятия для начинающих