FPGA 및 프로그래머블 로직 소개

이 비디오는 FPGA 및 프로그래머블 로직 기술에 대한 소개 프레젠테이션입니다. 2019년 11월 19일 태국 방콕에서 7 Peaks Software가 주최한 이벤트에서 45분간의 강연을 했습니다.

프레젠테이션의 주요 내용은 다음과 같습니다.

• 05:07 누가 FPGA를 사용합니까?
• 09:06 FPGA란 무엇입니까?
• 12:13 정적 RAM을 사용하여 논리 게이트를 에뮬레이트하는 방법
• 17:47 일반적인 FPGA 기본 요소
• 19:51 가장 저렴하고 비싼 FPGA
• 20:53 FPGA 평면도
• 24:30 VHDL
• 28:05 합성 및 장소 및 경로
• 30:50 소프트 코어
• 33:15 하이브리드 FPGA/CPU(Zynq-7000)
• 36:44 FPGA의 장점과 단점
• 40:28 FPGA가 포함된 제품의 예
• 45:18 VHDLwhiz.com의 무료 학습 리소스

FPGA는 누가 사용합니까?

FPGA 기술을 위한 광범위한 애플리케이션이 있습니다. 우주의 위성에서 월스트리트의 거래 로봇에 이르기까지 다양한 제품은 프로그래밍 가능한 논리를 사용합니다. 다음은 FPGA를 많이 사용하는 것으로 알려진 일부 산업입니다.

방어

방위 산업은 맞춤형 FPGA 구현의 이점을 누릴 수 있는 탁월한 위치에 있습니다. 그들은 많은 돈과 높은 품질 요구 사항을 가지고 있습니다. 군용 장비는 소비자 및 산업용 등급보다 훨씬 높은 신뢰할 수 있는 엔지니어링 계층이기 때문에 해당 제품의 사양 목록은 종종 극단적입니다. 그들의 예산은 항상 높으며 때로는 사실상 무제한이며 정부 지원과 같은 안정적인 출처에서 나옵니다.

위의 모든 것이 FPGA가 방위 애플리케이션에 많이 사용되는 이유입니다. 무기뿐만 아니라 무선통신기기, 시험장비 등에도 사용됩니다. 나는 업계에서 일했습니다. 여기에서 방위 산업에서 FPGA 엔지니어로 일한 경험에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.

공간

FPGA는 우주 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 사용됩니다. 위성에 적합한 이유는 여러 가지가 있습니다. 이들은 본질적으로 저전력이며, 방사선 경화 처리될 수 있으며, CPU 또는 마이크로컨트롤러에서 실행되는 소프트웨어보다 FPGA의 정확성을 확인하는 것이 더 쉽습니다.

우주의 많은 전자 설계는 인터페이스 제어, 센서 데이터 읽기, 신호 처리 또는 제어 시스템과 같은 작업, FPGA에 잘 맞는 작업을 위한 것입니다. 또한 우주 응용 분야는 종종 항공 우주 산업의 표준과 동일한 신뢰성 요구 사항에 해당합니다.

항공우주

항공 우주 산업은 우주 산업과 같은 여러 이유로 FPGA를 사랑하지만 가장 중요한 것은 소프트웨어보다 FPGA의 정확성을 검증하는 것이 더 쉽기 때문입니다.

컴퓨터 프로그램이 의도하지 않은 결과를 초래하지 않는다는 것을 증명하는 것은 어렵고 시간이 많이 걸립니다. 항공 시스템에 대한 국제 표준은 항공기에 사용되는 전자 장치가 엄격한 검증 요구 사항을 따라야 한다고 규정하고 있습니다.

소프트웨어는 DO-178C 항공 표준을 따라야 하지만 FPGA는 항공 전자 하드웨어에 대한 DO-254 설계 보증 가이드에 속합니다. 대부분의 경우 해당 소프트웨어 구현보다 하드웨어 표준의 요구 사항을 충족하는 것이 더 쉽고 저렴합니다.

자동차

차량 제조업체는 트럭의 디젤 엔진 모터 제어와 같은 작업과 자동 운전 시스템에 FPGA를 사용합니다. 현대 자동차에서도 FPGA 가속 통신 및 엔터테인먼트 시스템을 찾을 수 있습니다.

또한 전기 및 하이브리드 차량은 모터 제어 작업에 FPGA를 사용할 가능성이 높습니다. 3상 유도 전동기는 전동기가 회전할 때 자기장의 엄격한 타이밍 제어가 필요합니다. 모든 부정확성은 전력 효율성 손실로 이어집니다.

통신

통신 인프라는 많은 FPGA 기술을 활용합니다. 이미 언급했듯이 FPGA는 통신 위성과 같은 우주 애플리케이션의 표준입니다. 통신 산업에서 FPGA의 다른 용도로는 네트워크 라우터와 무선 기지국이 있습니다.

휴대폰과 같은 소비자 통신 장비의 경우 FPGA는 그렇게 일반적이지 않습니다. 당신은 휴대폰의 맞춤형 솔루션을 위해 FPGA보다 ASIC을 더 많이 보게 될 것입니다. ASIC 생산의 초기 비용은 FPGA보다 훨씬 높지만 휴대폰 판매량이 많기 때문에 여전히 경제적입니다.

데이터 센터

4대 기술 회사는 모두 데이터 센터에서 사용할 맞춤형 FPGA 솔루션을 개발합니다. FPGA는 짧은 대기 시간으로 이러한 대용량 데이터를 처리할 수 있도록 하는 데 필수적입니다.

FPGA로 어떤 종류의 문제를 해결하고 있는지에 대한 세부 정보를 찾기가 어렵습니다. 그럼에도 불구하고 구인 목록과 같은 정황 증거로 판단하면 FPGA에 크게 의존하고 있음이 분명해집니다. Amazon AWS, Microsoft Azure, Google 및 Facebook과 같은 서비스는 모두 부분적으로 FPGA를 통해 가능합니다.

고빈도 거래

알고리즘 고주파 주식 시장 거래(HFT)는 경쟁자보다 빠르게 숫자를 처리하는 것입니다. 이러한 활동에 참여하는 회사는 처리 파이프라인의 지연 시간을 줄이기 위해 최선을 다합니다.

그들의 서버는 물리적으로 증권 거래소와 가깝고 돈으로 살 수 있는 가장 빠른 컴퓨터 하드웨어에 투자합니다. 경쟁에서 CPU와 GPU를 사용하면 FPGA로 눈을 돌립니다. 그러면 들어오는 시장 데이터에 대한 통계 분석을 조금 더 빠르게 실행하고 더 많은 돈을 벌 수 있습니다.

암호화폐 채굴

FPGA는 지난 몇 년 동안 주류 IT 커뮤니티에서 르네상스를 경험했습니다. Bitcoin의 과대 광고로 인해 많은 일반 사람들이 이제 FPGA에 대해 들었습니다.

암호화폐 채굴의 경제학은 전기 요금 관리에 관한 것입니다. 코인은 수익을 내기 위해 채굴하는 전기에 대해 지불한 것보다 더 가치가 있어야 합니다.

맞춤형 FPGA 솔루션은 일반적으로 CPU 또는 GPU에서 실행되는 알고리즘보다 전력 효율이 높습니다. 지난 몇 년 동안 크라우드 펀딩을 받은 FPGA 광부 보드가 많이 등장했습니다.

FPGA가 포함된 제품의 예

FPGA는 소비자 전자 제품에서 흔히 볼 수 있는 것이 아닙니다. 그래도 그 예는 많다. 다음은 FPGA가 포함된 몇 가지 제품에 대해 들어본 적이 있을 것입니다.

HTC 바이브

이 VR 헤드셋은 이 분해에서 볼 수 있듯이 3개의 Lattice FPGA를 사용합니다. 이 설계에서 FPGA의 목적이 무엇인지 불분명합니다.

하지만 상대적으로 저용량 기기이기 때문에 이미지 처리가 아닌 인터페이스를 제어하거나 센서를 읽기 위한 용도로 추측하는 것이 좋습니다.

구글 웨이모

Google의 자율주행차는 FPGA 기술로 실행됩니다. 이 프로젝트는 아직 개발 단계에 있으며 FPGA는 프로토타이핑에 적합합니다.

참조된 기사에서는 자동차에 있는 LiDAR 시스템일 수 있는 "센서 처리"에 FPGA를 사용한다고 명시하고 있습니다.

아이폰 7

휴대폰에서 FPGA를 찾는 것은 드문 일입니다. ASIC은 모바일 핸드셋의 대량 생산으로 인해 일반적으로 더 경제적입니다. 그럼에도 불구하고 iPhone 7은 FPGA를 사용합니다.

링크된 기사에서는 새로운 인공 지능(AI) 기능을 위한 것일 수 있다고 제안합니다. 아마도 Apple은 이 특정 하드웨어로 끝나지 않았고 이 칩에 무선(OTA) 하드웨어 업데이트를 푸시할 가능성이 필요했을 것입니다. 이것이 FPGA의 혁신적인 사용입니다.

애프터버너

Apple의 고급 그래픽 가속기 카드는 최대 3개의 8k ProRes RAM 비디오 스트림을 실시간으로 동시에 렌더링할 수 있습니다.

흥미롭게도 FPGA를 사용하여 무거운 작업을 수행합니다. 이미지 처리는 FPGA가 정말 잘하는 일입니다. GPU가 8k 동영상을 충분히 빠르게 처리할 수 없기 때문에 맞춤형 솔루션을 만들어야 했을 수도 있습니다.

Nvidia G-Sync

Nvidia G-Sync 카드는 그래픽 카드의 출력을 화면의 재생 빈도와 동기화합니다. PC 게이머라면 이 문제에 대한 Nvidia의 소프트웨어 솔루션인 V-Sync에 대해 들어본 적이 있을 것입니다.

프레임 속도 동기화는 하드웨어에서는 수행하기 쉽지만 소프트웨어로 완료하면 많은 CPU를 소모하는 작업의 예입니다.

Silent 오실로스코프

Sigilent SDS 1202X-E는 200MHz, 2+1 채널 오실로스코프입니다. EEVblog의 분해 결과는 Xilinx Zynq-7000 하이브리드 CPU/FPGA의 힘을 보여줍니다.

Zynq-7000 칩에는 2개의 하드 ARM CPU와 온칩 프로그래밍 가능한 FPGA 부품이 있습니다. Zynq를 사용하는 이점은 프로세싱 시스템(PS) 부분에서 Linux를 실행할 수 있다는 것입니다. Linux에서는 모든 고급 GUI 라이브러리를 사용하여 아름다운 사용자 인터페이스를 만들 수 있습니다.

동시에 칩의 PL(프로그래머블 로직) 부분에서 맞춤형 로직을 사용하여 센서 데이터를 고속으로 샘플링할 수 있습니다. PS와 PL 부분 사이의 상호 연결은 동일한 실리콘 다이 내에 있기 때문에 대역폭이 매우 높습니다. 전반적으로 고성능 사물 인터넷(IoT) 애플리케이션을 만들기 위한 탁월한 칩입니다.

UltraMiner FPGA

UltraMiner는 수년 동안 등장한 많은 크라우드 펀딩 FPGA 광부 중 하나입니다. 펀딩 캠페인은 이 글을 쓰는 시점에도 계속 진행 중입니다.

프로젝트 페이지의 판매 포인트에 따르면 GPU 채굴기의 4배의 에너지 효율을 가지고 있습니다.

페블 타임

Pebble은 2012년에 Kickstarter 캠페인을 통해 크라우드 펀딩을 받은 초기 스마트워치입니다. 이 제품은 LCD를 제어하기 위해 작은 FPGA를 사용합니다.

Pebble을 소유하고 있다면 항상 FPGA를 손목에 차고 다니게 될 것입니다. Pebble을 제어하기 위한 펌웨어는 오픈 소스이며 FPGA 인터페이스를 위한 코드는 GitHub의 저장소에 있습니다.

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