Pengantar FPGA &Logika yang Dapat Diprogram

Video ini adalah presentasi pengantar tentang FPGA dan teknologi logika yang dapat diprogram. Saya menyampaikan ceramah selama 45 menit ini di sebuah acara yang diselenggarakan oleh 7 Peaks Software di Bangkok, Thailand, pada 19 November 2019.

Sorotan dari presentasi meliputi:

• 05:07 Siapa yang menggunakan FPGA?
• 09:06 Apa itu FPGA?
• 12:13 Cara mengemulasikan gerbang logika menggunakan RAM statis
• 17:47 Primitif FPGA umum
• 19:51 FPGA termurah dan termahal
• 20:53 Denah lantai FPGA
• 24:30 VHDL
• 28:05 Sintesis dan Tempat dan Rute
• 30:50 Soft-core
• 33:15 FPGA / CPU Hibrida (Zynq-7000)
• 36:44 Kelebihan dan kekurangan FPGA
• 40:28 Contoh produk yang mengandung FPGA
• 45:18 Sumber belajar gratis dari VHDLwhiz.com

Siapa yang menggunakan FPGA?

Ada berbagai macam aplikasi untuk teknologi FPGA. Produk mulai dari satelit di luar angkasa hingga robot perdagangan di Wall Street menggunakan logika yang dapat diprogram. Berikut ini beberapa industri yang dikenal sebagai pengguna berat FPGA.

Pertahanan

Industri pertahanan berada dalam posisi yang sangat baik untuk mendapatkan manfaat dari implementasi FPGA khusus. Mereka memiliki banyak uang dan persyaratan tinggi untuk kualitas. Daftar spesifikasi untuk produk mereka seringkali ekstrem karena peralatan kelas militer adalah tingkat teknik yang andal jauh di atas kelas konsumen dan industri. Anggaran mereka selalu tinggi dan terkadang hampir tidak terbatas, berasal dari sumber yang stabil seperti dukungan pemerintah.

Semua hal di atas adalah alasan mengapa FPGA banyak digunakan untuk aplikasi pertahanan. Tidak hanya untuk senjata tetapi juga untuk hal-hal seperti perangkat komunikasi radio dan peralatan uji. Saya telah bekerja di industri. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang pengalaman saya sebagai insinyur FPGA di industri pertahanan di sini.

Ruang

FPGA digunakan secara luas di seluruh industri luar angkasa. Ada banyak alasan mengapa mereka cocok untuk satelit. Mereka pada dasarnya berdaya rendah, dapat dibuat tahan radiasi, dan lebih mudah untuk memverifikasi kebenaran FPGA daripada perangkat lunak yang berjalan pada CPU atau mikrokontroler.

Banyak desain elektronik di ruang angkasa adalah untuk hal-hal seperti kontrol antarmuka, pembacaan data sensor, pemrosesan sinyal, atau sistem kontrol, tugas yang sesuai dengan FPGA. Selain itu, aplikasi ruang angkasa sering kali berada di bawah persyaratan keandalan yang sama dengan standar dalam industri kedirgantaraan.

Aerospace

Industri kedirgantaraan menyukai FPGA karena banyak alasan yang sama dengan industri luar angkasa, tetapi yang paling penting, karena lebih mudah memverifikasi kebenaran FPGA daripada perangkat lunak.

Membuktikan bahwa program komputer tidak memiliki konsekuensi yang tidak diinginkan adalah sulit dan memakan waktu. Standar internasional untuk sistem udara mengamanatkan bahwa elektronik yang digunakan di pesawat harus mengikuti persyaratan verifikasi yang ketat.

Meskipun perangkat lunak harus mengikuti standar penerbangan DO-178C, FPGA termasuk dalam panduan jaminan desain DO-254 untuk perangkat keras elektronik di udara. Dalam kebanyakan kasus, lebih mudah dan lebih murah untuk memenuhi persyaratan standar perangkat keras daripada implementasi perangkat lunak yang sesuai.

Otomotif

Pabrikan kendaraan menggunakan FPGA untuk hal-hal seperti kontrol motor mesin diesel di truk, dan juga untuk sistem mengemudi otomatis. Anda bahkan dapat menemukan sistem komunikasi dan hiburan yang dipercepat FPGA di mobil modern.

Selanjutnya, kendaraan listrik dan hibrida cenderung menggunakan FPGA untuk tugas kontrol motor. Motor induksi tiga fase memerlukan kontrol pengaturan waktu yang ketat dari medan magnet saat motor berputar. Ketidakakuratan apa pun akan menyebabkan hilangnya efisiensi daya.

Telekomunikasi

Infrastruktur telekomunikasi banyak menggunakan teknologi FPGA. Seperti yang telah disebutkan, FPGA adalah standar dalam aplikasi luar angkasa seperti satelit komunikasi. Kegunaan lain FPGA dalam industri telekomunikasi termasuk router jaringan dan pemancar nirkabel.

Untuk peralatan telekomunikasi konsumen seperti ponsel, FPGA tidak begitu umum. Anda lebih cenderung melihat ASIC daripada FPGA untuk solusi khusus di ponsel. Meskipun biaya awal produksi ASIC jauh lebih tinggi daripada FPGA, mereka tetap ekonomis karena volume penjualan ponsel yang tinggi.

Pusat data

Semua empat perusahaan teknologi besar mengembangkan solusi FPGA khusus untuk digunakan di pusat data mereka. FPGA sangat penting bagi mereka untuk dapat menangani volume data yang begitu tinggi dengan latensi yang rendah.

Sulit untuk menemukan detail tentang masalah apa yang mereka selesaikan dengan FPGA. Namun, dilihat dari bukti tidak langsung seperti daftar pekerjaan, menjadi jelas bahwa mereka sangat bergantung pada FPGA. Layanan seperti Amazon AWS, Microsoft Azure, Google, dan Facebook, semuanya dimungkinkan sebagian oleh FPGA.

Perdagangan frekuensi tinggi

Algoritme perdagangan pasar saham frekuensi tinggi (HFT) adalah tentang menghitung angka lebih cepat daripada kompetisi. Perusahaan yang terlibat dalam aktivitas ini melakukan segala daya untuk menurunkan latensi saluran pemrosesan mereka.

Server mereka secara fisik dekat dengan bursa saham, dan mereka berinvestasi dalam perangkat keras komputer tercepat yang dapat dibeli dengan uang. Saat kompetisi menggunakan CPU dan GPU, Anda beralih ke FPGA. Kemudian mereka dapat menjalankan analisis statistik pada data pasar yang masuk sedikit lebih cepat dan menghasilkan lebih banyak uang.

Penambangan mata uang kripto

FPGA telah mengalami kebangkitan di antara komunitas TI arus utama dalam beberapa tahun terakhir. Karena hype Bitcoin, banyak orang awam sekarang telah mendengar tentang FPGA.

Ekonomi penambangan cryptocurrency adalah tentang mengelola tagihan listrik. Koin harus bernilai lebih dari apa yang Anda bayarkan untuk listrik untuk menambangnya agar menguntungkan.

Solusi FPGA khusus biasanya lebih hemat daya daripada algoritma yang berjalan pada CPU atau bahkan GPU. Banyak papan penambang FPGA crowdfunded telah muncul selama beberapa tahun terakhir.

Contoh produk yang mengandung FPGA

FPGA tidak begitu umum ditemukan di elektronik konsumen. Meski begitu, masih banyak contohnya. Berikut ini beberapa produk yang mungkin pernah Anda dengar yang mengandung FPGA.

HTC Vive

Headset VR ini menggunakan tiga FPGA Lattice, seperti yang dapat kita lihat dari pembongkaran ini. Tidak jelas apa tujuan FPGA dalam desain ini.

Namun, ini adalah perangkat berkapasitas relatif rendah, jadi dugaan yang baik adalah perangkat ini untuk mengontrol antarmuka atau membaca sensor, bukan pemrosesan gambar.

Google Waymo

Mobil self-driving Google menggunakan teknologi FPGA. Proyek ini masih dalam tahap pengembangan, dan FPGA sangat bagus untuk pembuatan prototipe.

Artikel yang dirujuk menyatakan bahwa mereka menggunakan FPGA untuk “pemrosesan sensor”, yang mungkin merupakan sistem LiDAR yang dimiliki mobil.

iPhone 7

Sangat jarang menemukan FPGA di ponsel. ASIC biasanya lebih ekonomis karena jumlah produksi handset mobile yang besar. Meskipun demikian, iPhone 7 menggunakan FPGA.

Artikel tertaut menunjukkan bahwa itu mungkin untuk beberapa fitur kecerdasan buatan (AI) baru. Mungkin Apple belum selesai dengan perangkat keras khusus ini dan membutuhkan kemungkinan untuk mendorong pembaruan perangkat keras over-the-air (OTA) ke chip ini. Itu adalah penggunaan FPGA yang inovatif.

Apple Afterburner

Kartu akselerator grafis kelas atas dari Apple dapat merender hingga 3 8k video streaming ProRes RAM secara bersamaan, dalam waktu nyata.

Menariknya, ia menggunakan FPGA untuk melakukan angkat berat. Pemrosesan gambar adalah sesuatu yang dilakukan FPGA dengan sangat baik. Mungkin mereka perlu membuat solusi khusus karena GPU tidak dapat menangani video 8k dengan cukup cepat.

Nvidia G-Sync

Kartu Nvidia G-Sync menyinkronkan output dari kartu grafis ke kecepatan refresh layar. Jika Anda seorang gamer PC, Anda mungkin pernah mendengar tentang V-Sync, yang merupakan solusi perangkat lunak Nvidia untuk masalah ini.

Sinkronisasi kecepatan bingkai adalah contoh tugas yang mudah dilakukan di perangkat keras tetapi menghabiskan banyak CPU saat dilakukan dengan perangkat lunak.

Osiloskop Senyap

Sigilent SDS 1202X-E adalah osiloskop 200MHz, 2 + 1 saluran. Pembongkaran oleh EEVblog mengungkapkan kekuatannya, CPU/FPGA hybrid Xilinx Zynq-7000.

Chip Zynq-7000 memiliki dua CPU ARM keras dan bagian FPGA yang dapat diprogram dalam chip. Keuntungan menggunakan Zynq adalah Anda dapat menjalankan Linux pada bagian sistem pemrosesan (PS). Dengan Linux, Anda dapat menggunakan semua pustaka GUI tingkat tinggi untuk membuat antarmuka pengguna yang indah.

Pada saat yang sama, Anda dapat mengambil sampel data sensor dengan kecepatan tinggi dengan menggunakan logika khusus di bagian logika yang dapat diprogram (PL) dari chip. Interkoneksi antara bagian PS dan PL memiliki bandwidth yang sangat tinggi karena berada dalam die silikon yang sama. Secara keseluruhan, chip yang sangat baik untuk membuat aplikasi internet of things (IoT) berkinerja tinggi.

FPGA UltraMiner

UltraMiner adalah salah satu dari banyak penambang FPGA crowdfunded yang telah muncul selama bertahun-tahun. Kampanye pendanaan masih berlangsung pada saat penulisan.

Menurut nilai jual di halaman proyek, ia memiliki efisiensi energi empat kali lipat dari penambang GPU.

Waktu Kerikil

 Pebble adalah jam tangan pintar awal yang didanai melalui kampanye Kickstarter pada tahun 2012. Jam tangan ini menggunakan FPGA kecil untuk mengontrol LCD.

Jika Anda memiliki Pebble, Anda telah berjalan-jalan dengan FPGA di pergelangan tangan Anda sepanjang waktu. Firmware untuk mengontrol Pebble adalah open source, kode untuk antarmuka FPGA ada di reponya di GitHub.

Ingin mempelajari cara memprogram FPGA?

Untuk membuat logika untuk FPGA, Anda perlu menggunakan bahasa deskripsi perangkat keras (HDL). Blog ini mengkhususkan diri pada VHDL, yang merupakan salah satu dari dua HDL yang populer.

Anda dapat mencoba pemrograman VHDL di komputer Anda dalam kenyamanan rumah Anda secara gratis. Setiap pengembangan VHDL dimulai dalam simulator, dan Tutorial VHDL Dasar gratis akan mengajarkan Anda cara mensimulasikan menggunakan simulator VHDL paling populer edisi pelajar:ModelSim.

sumber belajar VHDLwhiz

GRATIS: Tutorial Dasar VHDL

PREMIUM: Kursus FPGA dan VHDL Dot Matrix

FPGA dan VHDL Fast-Track:Hands-On untuk Pemula Mutlak

Apakah Anda terbiasa dengan pemrograman tetapi baru mengenal VHDL?

Apakah Anda memerlukan pengenalan singkat tentang subjek yang tidak dikenal ini?

Apakah jadwal Anda penuh dengan tidak ada waktu tersisa untuk belajar?

Pahami dasar-dasar pengembangan FPGA menggunakan VHDL dalam beberapa malam! Kursus ini untuk profesional TI dan siswa yang membutuhkan penjelasan cepat tentang subjek. Dengan kursus ini dan papan pengembangan iCEstick Lattice berbiaya rendah, Anda akan mengembangkan perangkat keras nyata dalam beberapa jam.

Klik di sini untuk membaca lebih lanjut dan mendaftar:
Fast-Track FPGA dan VHDL:Praktis untuk Pemula Absolut