Qu’est-ce que le FPGA et à quoi sert-il ?

Hibou Gourou

Les FPGA offrent des avantages à différents types d'équipements électroniques. De la navigation aérienne aux ultrasons médicaux et aux moteurs de recherche de données, les gens s'appuient sur les FPGA pour le développement et l'utilisation de la technologie qu'ils utilisent quotidiennement.

Cet article fournit des informations sur ce qu'est le FPGA et à quoi il sert. Si ces sujets vous intéressent, vous aurez plaisir à lire cet article.

Qu'est-ce que le FPGA ?

FPGA est l'acronyme de Field Programmable Gate Array . Il s'agit d'un dispositif semi – conducteur basé sur une matrice de blocs logiques configurables (CLB) grâce auxquels une grande majorité des fonctionnalités électriques à l'intérieur du dispositif peuvent être modifiées par l'ingénieur de conception.

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Le FPGA est défini par sa gamme de sous-circuits numériques interconnectés qui mettent en œuvre des fonctions communes tout en offrant des niveaux élevés de flexibilité. Les FPGA appartiennent à une classe de dispositifs appelés logique programmable (ou matériel programmable). Le FPGA ne fait rien par lui-même ; il est plutôt configuré pour être n'importe quel circuit numérique requis. Alors, comment ça marche?

Comment fonctionne un FPGA ?

Comprendre le fonctionnement d'un FPGA est simple. Cela implique de charger une configuration dans le FPGA qui commence alors à se comporter comme n'importe quel circuit dont vous avez besoin. Pas de chichi, pas de stress. Sa configuration basée sur la RAM signifie qu'il peut être reconfiguré un nombre illimité de fois.

Types de FPGA

Il existe deux manières principales de classer les FPGA : par leur disposition interne de blocs ou par leur type de technologie de programmation. Les FPGA appartiennent à l'une des trois catégories suivantes en ce qui concerne leur disposition :

  1. Réseaux symétriques : Cette disposition est constituée de rangées et de colonnes de blocs logiques connectés, entourés de blocs d'entrées/sorties.
  2. Architecture à base de lignes : cette disposition alterne des rangées de blocs logiques et des ressources d'interconnexion programmables, avec des blocs d'entrée/sortie le long des bords.
  3. PLD hiérarchiques (dispositifs logiques programmables) : ils ont une disposition plus complexe. Le niveau supérieur est composé de blocs logiques et d'interconnexions. Les blocs logiques contiennent des modules logiques, qui ont des éléments fonctionnels combinatoires et séquentiels.

Utilisations courantes du FGPA

Il existe une myriade d'utilisations du FPGA qui couvrent un large éventail de domaines. Les cas d'utilisation incluent :

  1. Traitement de la vidéo et de l'imagerie.
  2. Applications militaires.
  3. Radio définie par logiciel.
  4. L'imagerie médicale.
  5. Communications filaires et sans fil.
  6. Intégration de plusieurs dispositifs logiques programmables simples.
  7. Reconnaissance vocale.
  8. Cryptographie.
  9. Traitement des signaux numériques.
  10. Prototypage ASIC.
  11. Contrôleurs de périphériques.
  12. Systèmes d'émulation de matériel informatique.
  13. Bioinformatique.
  14. Calcul haute performance.
  15. Aérospatial et Défense.
  16. Prototypage ASIC.
  17. Automobile.
  18. Diffusion électronique grand public.
  19. Centre de données médical.
  20. Instruments scientifiques et industriels.

Avantages de l'utilisation du FPGA

Le FPGA offre de nombreux avantages par rapport aux implémentations conventionnelles.

Avantages Détails
L'intégration Plus il y a de fonctions dans les FPGA d'aujourd'hui (qui incluent des processeurs sur puce, des E/S d'émetteur-récepteur à 28 Gbit/s ou plus, des blocs RAM, des moteurs DSP), moins il y a de périphériques sur la carte de circuit imprimé. Cela augmente la fiabilité en réduisant le nombre de pannes de l'appareil.
La flexibilité La fonctionnalité du FPGA peut changer à chaque mise sous tension de l'appareil. Cela signifie que si un ingénieur de conception souhaite apporter une modification, il peut simplement télécharger un nouveau fichier de configuration dans l'appareil et essayer la modification.
Accélération Les FPGA sont mis sur le marché plus rapidement car ils sont vendus « sur étagère ». En raison de la flexibilité du FPGA, les fabricants d'équipements d'origine peuvent expédier des systèmes dès que la conception est prouvée et testée.
Disponibilité à long terme L'utilisation de FPGA vous offre une indépendance vis-à-vis des fabricants de composants, car la fonctionnalité n'est pas dans le module lui-même mais dans sa configuration. Cette programmation peut être effectuée d'une manière qui ne nécessite aucun réglage sur différents FPGA

Les différences entre FPGA et ASIC

Les ASIC (Application Specific Integrated Circuits) et les FPGA ont des propositions de valeur différentes. Ce qui distingue les FPGA des ASIC est le fait que le FPGA peut être reprogrammé pour une application ou des exigences de fonctionnalité souhaitées après la fabrication, tandis que l'ASIC est fabriqué sur mesure pour des tâches de conception spécifiques. Ces changements de reprogrammation peuvent se produire pendant le processus d'assemblage du PCB (Printed Circuit Board), ou même après que l'équipement a été expédié aux clients.

Bien qu'il existe des FPGA à programmation unique (OTP), les types dominants et les plus courants sont basés sur la RAM, ce qui les rend reprogrammables à mesure que la conception continue d'évoluer.

De plus, les FPGA sont en vente libre, contrairement aux ASIC qui nécessitent des cycles de fabrication qui finissent par prendre plusieurs mois.

Performance et polyvalence du FPGA

Le FPGA offre des niveaux de performances et de polyvalence supérieurs, ce qui en fait la technologie de prédilection pour les personnes et les organisations qui cherchent à optimiser les puces ou à apporter des modifications aux puces pour leur charge de travail.

Un excellent exemple de l'importance croissante des FPGA peut être trouvé dans le domaine de l'intelligence artificielle. Alors que l'intelligence artificielle continue de gagner en pertinence, l'importance des FPGA augmente également. Dans certains cas, les FGPA surpassent les GPU (Graphical Processing Units) dans l'analyse d'énormes quantités de données pour l'apprentissage automatique.