Circuiti digitali programmabili FPGA - domande e risposte

I sistemi FPGA sono stati disponibili commercialmente per molti anni, eppure non sono molto conosciuti tra i progettisti elettronici. Si potrebbe rischiare di affermare che alcuni ne sappiano qualcosa, ma di solito, questa conoscenza è molto generale e piuttosto scoraggiante per l'uso nei dispositivi che stanno costruendo. Questo testo fornisce risposte alle domande più frequenti riguardanti i sistemi FPGA e le loro applicazioni, che permetteranno una conoscenza preliminare di questo gruppo di sistemi e una decisione più informata riguardo ai componenti utilizzati.

Ci sono molte opinioni comuni sui sistemi FPGA che scoraggiano il loro utilizzo. Nel frattempo, questi sistemi sono indispensabili in molti campi, ed è utile avere almeno una conoscenza di base su di essi per prendere decisioni informate riguardo alle applicazioni che si stanno costruendo e per valutare realisticamente le loro capacità.

• Può FPGA sostituire un microcontrollore?
• Perché i sistemi FPGA non sono molto popolari?
• Troveranno i sistemi FPGA applicazioni più ampie in futuro?
• Quando i sistemi FPGA non dovrebbero essere utilizzati?
• Può FPGA essere riprogrammato?
• I sistemi FPGA trovano applicazioni nell'Industria 4.0?
• Quali tipi di memoria sono equipaggiati in FPGA?

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Può FPGA sostituire un microcontrollore?

I sistemi FPGA sono utilizzati in applicazioni diverse rispetto ai microcontrollori, quindi la risposta a questa domanda dipende dal caso specifico. Il nucleo di un microcontrollore è composto da molti circuiti logici che possono essere creati anche utilizzando linguaggi di descrizione hardware. Inoltre, i sistemi FPGA possono contenere memoria Flash e RAM (o averle collegate esternamente), quindi si potrebbe rischiare di affermare che la maggior parte dei nuclei dei microcontrollori popolari può essere emulata utilizzando FPGA. Tuttavia, bisogna considerare il costo significativamente più elevato sia dell'acquisto del chip stesso che dell'implementazione della sua applicazione hardware e configurazione.

I sistemi FPGA e i microcontrollori operano in modo diverso. I primi sono molto veloci e configurati utilizzando linguaggi di descrizione hardware. Possono eseguire molte operazioni simultaneamente, il che è un vantaggio significativo in applicazioni che richiedono alta potenza computazionale. La facilità di cambiamento della configurazione hardware li rende eccellenti per testare e prototipare circuiti prima che vengano messi in produzione. Il loro svantaggio è l'applicazione complessa e il prezzo elevato del chip stesso – spesso molte volte superiore al prezzo di un microcontrollore.

Il principale vantaggio dei microcontrollori è il loro basso costo di acquisto e l'applicazione poco complicata. Di solito, nell'ambiente di un microcontrollore, ci sono elementi di un generatore di clock e quelli che consentono di cooperare con l'ambiente (più spesso adattando i parametri elettrici delle interfacce ai pin I/O del microcontrollore). Sono programmati utilizzando linguaggi di programmazione di alto livello ben noti come C, C++ o Python. Anche se non sono veloci e flessibili nelle applicazioni come i sistemi FPGA, sono significativamente più economici nella produzione di massa così come nelle applicazioni unitarie. L'applicazione hardware è anche meno complicata e quindi più facile da implementare e molto più economica.

Nel rispondere alla domanda se un FPGA possa sostituire un microcontrollore, non si dovrebbe considerare solo la possibilità stessa, poiché è quasi certo che si possa trovare un FPGA che può emulare il nucleo di un microcontrollore e i suoi blocchi periferici o eseguire un'applicazione funzionalmente equivalente, ma piuttosto pensare al costo di tale soluzione. In applicazioni poco complicate, come il controllo di dispositivi, è certamente più conveniente e più facile da implementare i microcontrollori.

Perché i sistemi FPGA non sono molto popolari?

Presumibilmente, la bassa popolarità dei sistemi FPGA è determinata dal loro alto prezzo, dalla difficile applicazione hardware (ad esempio, i sistemi FPGA complessi richiedono circuiti di alimentazione complicati e sequenziamento della tensione, così come le opportune protezioni in caso di perdita di alimentazione) e dalla complessità della programmazione con una familiarità relativamente bassa con i linguaggi di descrizione hardware.

A causa dei loro parametri, i sistemi FPGA sono spesso utilizzati in applicazioni specializzate, come l'elaborazione dei segnali, le telecomunicazioni o il prototipazione di circuiti digitali, dove il costo della soluzione finale non è così importante quanto l'affidabilità e le prestazioni. Altrimenti, quando il prezzo della soluzione finale inizia a contare più della velocità di elaborazione, i microcontrollori o i circuiti integrati dedicati (ASIC) sono più convenienti e sufficienti. Inoltre, gli FPGA possono essere meno efficienti dal punto di vista energetico rispetto agli ASIC, che sono ottimizzati per l'uso in un'applicazione specifica.

Troveranno i sistemi FPGA applicazioni più ampie in futuro?

I requisiti delle applicazioni moderne, dove un microcontrollore veloce o un ASIC non sono sufficienti, possono portare a una significativa diminuzione dei prezzi degli FPGA e al loro uso diffuso nei dispositivi di consumo. I sistemi FPGA hanno sicuramente un enorme potenziale per trovare applicazioni più ampie in futuro, specialmente in applicazioni che richiedono alta velocità di elaborazione dei dati, flessibilità e riconfigurabilità. Nelle applicazioni professionali, questo può comportare la costruzione di prototipi di circuiti digitali e ASIC prima della loro produzione, mentre nei dispositivi di consumo, può comportare l'elaborazione delle immagini per i giochi per computer e l'imaging VR.

Nell'industria, la crescente domanda di dispositivi che elaborano grandi quantità di dati in tempo reale in applicazioni legate all'IA, all'apprendimento automatico o all'elaborazione dei segnali rende i sistemi FPGA, che possono eseguire molte operazioni simultaneamente a grande velocità, sempre più attraenti.

Nelle telecomunicazioni, con l'espansione delle reti 5G, IoT o trasmissione di dati per veicoli autonomi, la necessità di circuiti logici avanzati che possano essere rapidamente adattati a requisiti specifici crescerà, e i sistemi FPGA potrebbero svolgere un ruolo chiave in questi campi. È notevole che utilizzando FPGA, si può costruire un circuito hardware per crittografare e decrittografare la comunicazione, con la possibilità di riconfigurare e aggiornare gli algoritmi senza la necessità di sostituire l'hardware. Anche se gli FPGA sono meno efficienti dal punto di vista energetico rispetto agli ASIC, la domanda per essi potrebbe portare allo sviluppo di nuove tecnologie di produzione che portano a una maggiore competitività in termini di consumo energetico.

Quando i sistemi FPGA non dovrebbero essere utilizzati?

Utilizzare un FPGA in un'applicazione non ha sempre senso. Questo vale soprattutto per le applicazioni in cui un microcontrollore o un ASIC molto più economico possono soddisfare la funzionalità. Ad esempio, se l'applicazione richiede solo funzionalità di base, come un controllore, un contatore o un comparatore, è certamente più conveniente utilizzare un microcontrollore o un ASIC. Tuttavia, se il contatore deve servire come timer per misurare con precisione il tempo di un raggio di luce che riflette un ostacolo, allora tale compito può essere gestito solo da un FPGA molto veloce.

Se il dispositivo deve essere prodotto in serie, un altro motivo per evitare di utilizzare un FPGA può essere il costo potenzialmente elevato della soluzione finale. I chip FPGA sono solitamente molte volte più costosi dei microcontrollori o degli ASIC, e inoltre, quelli più avanzati richiedono applicazioni hardware complicate. Pertanto, se il budget è limitato, altre soluzioni potrebbero essere più economiche.

I sistemi FPGA possono essere meno efficienti dal punto di vista energetico rispetto agli ASIC, che sono ottimizzati per applicazioni specifiche. In applicazioni in cui il basso consumo energetico è cruciale, è meglio scegliere un microcontrollore o un ASIC.

La programmazione dei sistemi FPGA richiede conoscenze di linguaggi di descrizione hardware e può richiedere più tempo rispetto alla programmazione dei microcontrollori. In progetti in cui un breve tempo di completamento è critico, i microcontrollori o gli ASIC possono essere una scelta migliore. Inoltre, in applicazioni in cui l'affidabilità è cruciale, gli ASIC, che sono ottimizzati e testati dal produttore per funzionalità specifiche, possono essere una scelta migliore.

Può FPGA essere riprogrammato?

Tipicamente, la configurazione di un FPGA è memorizzata in memoria esterna. Il contenuto di questa memoria viene inviato all'FPGA all'accensione. Cambiare la configurazione dell'FPGA richiede la possibilità di modificare il contenuto della memoria di configurazione esterna, quindi finché non è memoria non volatile, l'FPGA può essere facilmente riprogrammato. La possibilità di riprogrammare (cambiare configurazione) l'FPGA è utilizzata, tra l'altro, negli algoritmi di apprendimento automatico, dove la configurazione dell'FPGA cambia dinamicamente durante il funzionamento dell'applicazione.

I sistemi FPGA trovano applicazioni nell'Industria 4.0?

I sistemi FPGA svolgono un ruolo significativo nella tecnologia dell'Industria 4.0. Grazie alle loro elevate prestazioni e riconfigurabilità, sono ben adatti per implementare sistemi SCADA e controllori PLC con riconfigurabilità, utilizzati nei sistemi di apprendimento automatico. Inoltre, l'analisi dei segnali molto veloce consente un controllo preciso in tempo reale degli azionamenti e l'implementazione di algoritmi di controllo vettoriale.

L'elevata prestazione degli FPGA facilita la gestione dei dispositivi edge: elaborazione e valutazione dei dati, gestione dei protocolli di comunicazione con una forte crittografia basata su hardware, integrazione con dispositivi cloud e sistemi IoT. Il vantaggio dell'utilizzo di FPGA in queste applicazioni è la possibilità di riconfigurazione dopo il dispiegamento, consentendo l'applicazione di nuovi algoritmi di crittografia o aggiornamenti di quelli utilizzati senza la necessità di sostituire l'hardware.

I vantaggi degli FPGA saranno utili anche nella manutenzione predittiva che coinvolge l'analisi dei dati in tempo reale provenienti dai sensori. La capacità di analizzare i segnali in tempo reale è utile per rilevare anomalie e rispondere rapidamente ai guasti. Successivamente, l'FPGA consente l'integrazione con sistemi di IA e l'implementazione di algoritmi di apprendimento automatico.

Indipendentemente dai cambiamenti associati all'Industria 4.0, i sistemi FPGA sono stati a lungo utilizzati in dispositivi per la valutazione della qualità e la robotica. Questi sono più spesso sensori di visione che operano nello spettro visibile o altri, che eseguono analisi e valutazione delle immagini. Trovano ampie applicazioni nell'ispezione della qualità, nel riconoscimento degli oggetti, nel posizionamento delle pinze nell'automazione e nei robot industriali. Nelle ultime applicazioni, questi sensori sono accoppiati con algoritmi di IA, consentendo una precisione e una velocità di operazione ancora maggiori.

Esempi:

• Il sensore di visione ORCA-Quest di Hamamatsu utilizza l'FPGA Intel® Arria 10 GX per elaborare dati a una velocità di 18 Gb/s.
• Gli FPGA supportano algoritmi di riconoscimento degli oggetti, ad esempio, rilevamento di difetti, identificazione della forma, analisi del colore, fornendo integrazione con IA e ML attraverso piattaforme come Lattice sensAI o Intel OpenVINO.
• La possibilità di cambiare configurazione consente di modificare algoritmi di filtraggio, segmentazione o rilevamento dei bordi senza sostituire l'hardware. Esempi possono includere filtri: Sobel, Prewitt, Laplaciano, Gaussiano – utilizzati per l'affilatura, l'ammorbidimento e il rilevamento dei bordi.
• La velocità di funzionamento degli FPGA e l'efficienza degli algoritmi di valutazione delle immagini trovano ampie applicazioni nei sistemi di sicurezza, garantendo il riconoscimento delle minacce (incendio, allagamento, malfunzionamento), persone, oggetti, veicoli e le loro targhe. In queste applicazioni, i sistemi FPGA possono agire come processori di immagini locali, riducendo il carico di rete e i ritardi nella risposta a situazioni specifiche.

Quali tipi di memoria sono equipaggiati in FPGA?

I sistemi FPGA hanno vari tipi di memoria, sia integrate che esterne, che possono essere utilizzate nelle applicazioni. Questi includono:

Memorie integrate (on-chip):

• RAM (Block RAM / BRAM) – memoria volatile veloce, utilizzata ad esempio come buffer di dati, FIFO, cache. La configurazione dell'FPGA letta dalla memoria esterna è anche memorizzata nella RAM.
• ROM – memoria di sola lettura, spesso utilizzata per memorizzare dati costanti o tabelle LUT.
• RAM distribuita – unità RAM più piccole distribuite nei blocchi logici (CLB), utilizzate in strutture semplici.
• FIFO (First-In, First-Out) – una struttura di memoria speciale per il buffering dei dati.
• Registri a scorrimento (SRL) – registri a scorrimento solitamente con una capacità di alcuni a diverse decine di bit, utili in molte applicazioni.

Memorie esterne (off-chip):

• SDRAM, DDR – RAM dinamica con alta capacità e larghezza di banda utilizzata in applicazioni di condizionamento del segnale, elaborazione delle immagini e altro.
• SSRAM (Synchronous Static RAM) – memoria statica veloce e sincrona.
• Flash / EEPROM – memorie non volatili utilizzate per la memorizzazione dei dati.
• SRAM, Flash, EEPROM, EPROM e altre memorie elettricamente programmabili per memorizzare le configurazioni FPGA.

L'elaborazione dei segnali digitali richiede un accesso rapido ai dati. Qui, la Block RAM (BRAM) sarà utilizzata come buffer di dati in ingresso/uscita, la RAM distribuita per implementare filtri e funzioni DSP, FIFO per sincronizzare e trasmettere dati tra i moduli DSP, RAM DDRx esterna in calcoli che richiedono una maggiore larghezza di banda.

Nel controllo e nell'automazione industriale, viene solitamente trasmessa una piccola quantità di dati, ma è richiesta una maggiore sicurezza della loro integrità. In questo campo, saranno utilizzati i seguenti tipi di memoria: ROM / EEPROM per memorizzare parametri e configurazioni del dispositivo, SRAM per memorizzare configurazioni e variabili, Registri a scorrimento / FIFO per il buffering dei dati nelle interfacce di comunicazione, ad esempio, UART, SPI.

L'elaborazione delle immagini è un'applicazione che richiede la memorizzazione di grandi quantità di dati garantendo un accesso rapido e facilità di modifica. Qui, le memorie dinamiche (RAM) sono principalmente utilizzate: DDRx esterna per il buffering dei fotogrammi video, BRAM per operazioni locali e tabelle LUT, FIFO + DMA per garantire un'efficiente trasmissione dei dati tra i moduli.

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