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Tecnología FPGA

fpga01La adopción de la tecnología FPGA crece mientras que las herramientas de alto nivel evolucionan para ofrecer a los ingenieros e investigadores, con diferentes niveles de experiencia, los beneficios del silicio reprogramable.

La tecnología de arreglos de compuertas programables en campo (FPGA) tiene un gran impacto: el mercado de FPGA a nivel mundial aumentó de $1,900 millones en el 2005 a $2,750 millones en el 2010. Desde que Xilinx los inventó en 1984, los FPGA han pasado de ser sencillos chips de lógica de acoplamiento a remplazar a los circuitos integrados de aplicación específica (ASICs) y procesadores para procesamiento de señales y aplicaciones de control.

Los FPGAs son chips de silicio reprogramables. Al utilizar bloques de lógica pre-construidos y recursos para ruteo programables, se puede configurar estos chips para implementar funcionalidades personalizadas en hardware sin tener que utilizar una tablilla de prototipos. Permiten desarrollar tareas de cómputo digital en software y compilarlas en un archivo de configuración o bitstream que contenga información de cómo deben conectarse los componentes. Además, los FPGAs son completamente reconfigurables y al instante toman una nueva “personalidad” cuando se compila una configuración diferente de circuitos. Anteriormente, sólo los ingenieros con profundo entendimiento de diseño de hardware digital podían trabajar con la tecnología FPGA. Sin embargo, el aumento de herramientas de diseño de alto nivel está cambiando las reglas de programación de los FPGA, con nuevas tecnologías que convierten los diagramas a bloques gráficos, o hasta el código ANSI C a circuitos de hardware digital.

FPGAs en la industria

fpga02La adopción de chips FPGA en la industria ha sido impulsada porque los FPGA combinan lo mejor de los ASICs y de los sistemas basados en procesadores. Ofrecen velocidades temporizadas por hardware y fiabilidad, pero sin requerir altos volúmenes de recursos para compensar el gran gasto que genera un diseño personalizado de ASIC. El silicio reprogramable tiene la misma capacidad de ajustarse que un software que se ejecuta en un sistema basado en procesadores, pero no está limitado por el número de núcleos disponibles.

A diferencia de los procesadores, los FPGA llevan a cabo diferentes operaciones de manera paralela, por lo que éstas no necesitan competir por los mismos recursos. Cada tarea de procesos independientes se asigna a una sección dedicada del chip, y puede ejecutarse de manera autónoma sin ser afectada por otros bloques de lógica. Como resultado, el rendimiento de una parte de la aplicación no se ve afectado cuando se agregan otros procesos.

Los 5 Beneficios Principales de la Tecnología FPGA

  • Rendimiento
  • Tiempo en llegar al Mercado
  • Precio
  • Fiabilidad
  • Mantenimiento a Largo Plazo

fpga03Rendimiento – Aprovechando el paralelismo del hardware, los FPGA exceden la potencia de cómputo de los procesadores digitales de señales (DSPs) rompiendo el paradigma de ejecución secuencial y logrando más en cada ciclo de reloj. BDTI, una destacada firma analista que realiza evaluaciones de referencia, lanzó evaluaciones mostrando cómo los FPGA pueden entregar más potencia de procesamiento por dólar que una solución de DSP, en algunas aplicaciones. El controlar entradas y salidas (E/S) a nivel de hardware ofrece tiempos de respuesta más veloces y funcionalidad especializada que coincide con los requerimientos de una aplicación.

Tiempo en llegar al mercado – La tecnología FPGA ofrece flexibilidad y capacidades de rápido desarrollo de prototipos para enfrentar los retos de que un producto se libere tarde al mercado. Se puede probar una idea o un concepto y verificarlo en hardware sin tener que pasar por el largo proceso de fabricación por el que pasa un diseño personalizado de ASIC3. Posteriormente se pueden implementar cambios y realizar iteraciones de un diseño FPGA en cuestión de horas en vez de semanas. También existe hardware comercial listo para usarse (COTS) con diferentes tipos de E/S ya conectados a un chip FPGA programable por el usuario. El aumento en disponibilidad de herramientas de software de alto nivel disminuye la curva de aprendizaje con niveles de abstracción. Estas herramientas frecuentemente incluyen importantes núcleos IP (funciones pre-construidas) para control avanzado y procesamiento de señales.

Precio – El precio de la ingeniería no recurrente de un diseño personalizado ASIC excede considerablemente al de las soluciones de hardware basadas en FPGA. La fuerte inversión inicial de los ASICs es justificable para los fabricantes de equipos originales que embarcan miles de chips por año, pero muchos usuarios finales necesitan la funcionalidad de un hardware personalizado para decenas o cientos de sistemas en desarrollo. La misma naturaleza programable del silicio implica que no hay precio de fabricación o largo plazos de ejecución de ensamblado. Los requerimientos de un sistema van cambiando con el tiempo, y el precio de cambiar incrementalmente los diseños FPGA es insignificante al compararlo con el precio de implementar cambios en un ASIC antes de su lanzamiento.

Fiabilidad – Mientras que las herramientas de software ofrecen un entorno de programación, los circuitos FPGA son una implementación segura de la ejecución de un programa. Los sistemas basados en procesadores frecuentemente implican varios niveles de abstracción para auxiliar a programar las tareas y compartir los recursos entre procesos múltiples. El software a nivel driver se encarga de administrar los recursos de hardware y el sistema operativo administra la memoria y el ancho de banda del procesador. El núcleo de un procesador sólo puede ejecutar una instrucción a la vez, y los sistemas basados en procesadores están siempre en riesgo de que sus tareas se obstruyan entre sí. Los FPGA, que no necesitan sistemas operativos, minimizan los retos de fiabilidad con ejecución paralela y hardware preciso dedicado a cada tarea.

Mantenimiento a largo plazo – Los chips FPGA son actualizables en campo y no requieren el tiempo y el precio que implica rediseñar un ASIC. Los protocolos de comunicación digital por ejemplo, tienen especificaciones que podrían cambiar con el tiempo, y las interfaces basadas en ASICs podrían causar retos de mantenimiento y habilidad de actualización. Los chips FPGA, al ser reconfigurables, son capaces de mantenerse al tanto con modificaciones a futuro que pudieran ser necesarias. Mientras el producto o sistema se va desarrollando, se pueden implementarle mejoras funcionales sin la necesidad de invertir tiempo rediseñando el hardware o modificando el diseño de la tarjeta.

 

 

 

¿Cómo escoger un FPGA?

Al examinar las especificaciones de un chip FPGA, generalmente están divididos en bloques de lógica configurables como segmentos o células de lógica, funciones fijas de lógica como multiplicadores, y recursos de memoria RAM en bloque embebida. El chip FPGA tiene otros componentes, pero éstos son generalmente los más importantes cuando se seleccionan y comparan FPGAs para una aplicación en particular.

Virtex-II
1000

Virtex-II
3000

Spartan-3
1000

Spartan-3
2000

Virtex-5
LX30

Virtex-5
LX50

Virtex-5
LX85

Virtex-5
LX110

Compuertas

1 millón

3 millones

1 millón

2 millones

-----

-----

-----

-----

Flip-Flops

10,240

28,672

15,360

40,960

19,200

28,800

51,840

69,120

LUTs

10,240

28,672

15,360

40,960

19,200

28,800

51,840

69,120

Multiplicadores

40

96

24

40

32

48

48

64

RAM en Bloque (kb)

720

1,728

432

720

1,152

1,728

3,456

4,608

Tabla 1. Especificaciones de Recursos FPGA de Varias Familias

La Tabla 1 muestra especificaciones de recursos usados para comparar chips FPGA dentro de varias familias de Xilinx. El número de compuertas ha sido una forma típica de comparar el tamaño de los chips FPGA contra la tecnología ASIC, pero no describe realmente el número de componentes individuales dentro del FPGA. Ésta es una razón por las cuales Xilinx no especifica el número de compuertas de sistema equivalentes en la nueva familia Virtex-5.

Fuente:

National instruments Homepage.

The Field-Programmable Gate Array (FPGA): Expanding Its Boundaries, InStat Market Research, April 2006

BDTI Focus Report: FPGAs for DSP, Second Edition, BDTI Benchmarking, 2006

FPGAs accelerate time to market for industrial designs, M. Thompson, EE Times 7/2/2004 http://www.us.design-reuse.com/articles/8190/fpgas-accelerate-time-to-market-for-industrial-designs.html


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