FPGA

FPGA τύπου Stratix IV GX από την Altera

Το FPGA ή Field Programmable Gate Array ή συστοιχία επιτόπια προγραμματιζόμενων πυλών είναι τύπος προγραμματιζόμενου ολοκληρωμένου κυκλώματος γενικής χρήσης το οποίο διαθέτει πολύ μεγάλο αριθμό τυποποιημένων πυλών και άλλων ψηφιακών λειτουργιών όπως απαριθμητές, καταχωρητές μνήμης, γεννήτριες PLL κ.ά. Σε ορισμένα από αυτά ενσωματώνονται και αναλογικές λειτουργίες. Κατά τον προγραμματισμό του FPGA, ο οποίος γίνεται πάντοτε ενώ αυτό είναι τοποθετημένο στο τυπωμένο κύκλωμα, ενεργοποιούνται οι επιθυμητές λειτουργίες και διασυνδέονται μεταξύ τους έτσι ώστε το FPGA να συμπεριφέρεται ως ολοκληρωμένο κύκλωμα με συγκεκριμένη λειτουργία.

Ο κώδικας με τον οποίο προγραμματίζεται το FPGA γράφεται σε γλώσσες περιγραφής υλικού (VHDL, AHDL, Verilog).

Χαρακτηριστικά

Το FPGA έχει παρόμοιο πεδίο εφαρμογών με άλλα προγραμματιζόμενα ολοκληρωμένα ψηφιακά κυκλώματα όπως τα PLD και τα ASIC. Όμως τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του FPGA είναι τα εξής:

• Το FPGA χάνει τον προγραμματισμό του κάθε φορά που διακόπτεται η τάση τροφοδοσίας του. Επομένως απαιτεί εξωτερικό μικροεπεξεργαστή ή μνήμη με μόνιμη συγκράτηση δεδομένων (non-volatile memory) από τα οποία θα προγραμματίζεται, κάθε φορά που επανέρχεται η τάση τροφοδοσίας.
• Ο προγραμματισμός του FPGA μπορεί να αλλάζει κάθε φορά που τροποποιείται το λογισμικό του μικροεπεξεργαστή ή τα δεδομένα της μνήμης που το ελέγχει.
• Δεν υπάρχει όριο στο πόσες φορές μπορεί να επαναπρογραμματιστεί.
• Η κατανάλωση ισχύος είναι σημαντικά αυξημένη, σε σχέση με τα ASIC.

Έτσι το FPGA είναι ιδιαίτερα κατάλληλο εκεί που οι παράμετροι λειτουργίας πρέπει να αλλάζουν συχνά ή σε μικρές ποσότητες παραγωγής, ενώ το ASIC, λόγω μαζικής παραγωγής, είναι φτηνότερο εκεί που απαιτούνται μεγάλες ποσότητες και η επιθυμητή λειτουργία είναι αυστηρά προκαθορισμένη, χωρίς σφάλματα (το ASIC δεν επαναπρογραμματίζεται).

Βασική δομική μονάδα του FPGA είναι το λογικό μπλοκ, με τη χρήση του οποίου υλοποιούνται οι λογικές συναρτήσεις που εκφράζουν τη λειτουργία ενός λογικού κυκλώματος. Ανάλογα με το μέγεθος του κυκλώματος πολλά λογικά μπλοκ συνδεόνται για να υλοποιήσουν το πλήθος των απαραίτητων λογικών συναρτήσεων.

Τα τελευταία χρόνια, τα FPGAs έχουν χρησιμοποιηθεί μαζικά για την εξόρυξη κρυπτονομισμάτων, όπως π.χ. το Bitcoin. Ωστόσο τείνουν να αντικατασταθούν από τα ASICs λόγω των ανώτερων επιδόσεων τους σε σχέση με την ενέργεια που καταναλώνουν.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Πολυμέσα σχετικά με το θέμα Field-programmable gate arrays στο Wikimedia Commons