Conceptos básicos de la arquitectura y las aplicaciones de FPGA

«Descubre la fascinante y revolucionaria tecnología de las Field-Programmable Gate Arrays (FPGA). En este artículo, exploraremos los conceptos básicos de la arquitectura y las aplicaciones de estas poderosas herramientas, que están cambiando la forma en que diseñamos y desarrollamos sistemas electrónicos. Desde su funcionamiento interno hasta las infinitas posibilidades que ofrecen en campos como el procesamiento de señales, la robótica y la inteligencia artificial, sumérgete en el fascinante mundo de las FPGA y desata tu creatividad.»

FPGA es una de las arquitecturas más complejas y versátiles del mercado actual. Tiene una amplia gama de aplicaciones, desde dispositivos de bajo consumo hasta computación de alto rendimiento. En esta guía completa, responderemos algunas de las preguntas más comunes sobre la arquitectura y las aplicaciones de FPGA. También proporcionaremos consejos útiles sobre cómo comenzar con el desarrollo de FPGA. Entonces, si está buscando una comprensión profunda de esta increíble tecnología, ¡siga leyendo!

¿Qué es FPGA?

Un FPGA (Field Programmable Gate Array) es un circuito integrado que se puede programar para realizar tareas específicas después de la fabricación.

Consiste en una matriz de cientos o miles de bloques lógicos configurables, conectados por interconexiones programables. El usuario puede configurar la FPGA con lenguaje de descripción de hardware (HDL) para crear circuitos digitales personalizados o «núcleos». FPGA brinda a los usuarios la flexibilidad de diseñar sistemas sin hardware especializado y les permite reprogramar fácilmente sus diseños si es necesario.

Las aplicaciones para FPGA incluyen imágenes médicas y visión por computadora, procesamiento de señales, sistemas aeroespaciales, automatización industrial y robótica, aplicaciones automotrices y más. [1], [2], [3]

Conceptos básicos de la arquitectura y las aplicaciones de FPGA

Arquitectura FPGA

Los FPGA se construyen sobre una red de bloques lógicos configurables (CLB) conectados por interconexiones programables.

Bloques lógicos son pequeños bloques de construcción que contienen circuitos lógicos combinacionales como compuertas AND, compuertas OR, compuertas XOR, etc., así como registros y contadores. El número y tamaño de estos bloques variará según el modelo y el fabricante de la FPGA.

Interconexiones son las conexiones entre bloques lógicos y determinan cómo fluyen los datos a través de la FPGA. El usuario puede configurar estas interconexiones durante el tiempo de diseño, lo que le permite crear circuitos digitales complejos con un alto grado de flexibilidad.

Los CLB también contienen registros, tablas de búsqueda (LUT) y flip flops que se pueden configurar para realizar operaciones personalizadas. Las interconexiones programables brindan la capacidad de enrutar señales entre diferentes partes de la FPGA.

Bloques de entrada/salida (E/S) también están presentes y brindan la capacidad de interactuar con sistemas externos. Según la aplicación, los FPGA pueden tener bloques personalizados, como controladores de memoria o unidades de procesamiento de señales digitales (DSP), que se adaptan a tareas específicas.

Cambiar matrices y los multiplexores permiten el enrutamiento eficiente de datos dentro de la FPGA. El árbol de reloj es responsable de controlar el tiempo de las operaciones en la FPGA, proporcionando un entorno síncrono que puede garantizar un funcionamiento fiable.

Además, los FPGA suelen contener recursos dedicados, como RAM integrada, multiplicadores e interfaces especializadas para la comunicación con dispositivos externos. Esto los hace muy adecuados para muchos tipos de tareas de procesamiento de datos. [1], [2], [3]

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Diferentes tipos de FPGA

Al igual que muchos otros tipos de circuitos integrados, los FPGA vienen en una variedad de tamaños y configuraciones. En esta sección discutiremos los tipos más populares de FPGA y las ventajas de cada uno.

FPGA de gama baja

El tipo más común de FPGA se conoce como un FPGA de gama baja. Los FPGA de gama baja son generalmente la opción menos costosa, debido a su menor complejidad y menor tamaño. Estos FPGA suelen tener menos elementos lógicos, y algunos modelos tienen tan solo 2K elementos lógicos. Si bien estos dispositivos ofrecen un rendimiento de menor velocidad que otros tipos de FPGA, aún son capaces de realizar muchas tareas básicas de manera rápida y eficiente. Los FPGA de gama baja a menudo se utilizan para un bajo consumo de energía, baja densidad lógica y baja complejidad por chip.

FPGA de gama media

FPGA de gama media son el tipo más popular debido a su versatilidad y rentabilidad. Estos dispositivos suelen contener entre 10 000 y 150 000 elementos lógicos, lo que los hace adecuados para una amplia variedad de aplicaciones, como el desarrollo de sistemas integrados, sistemas de automatización, sistemas de control automotriz, sistemas de procesamiento de imágenes y más.

FPGA de gama alta

Con mucho, el tipo más popular de FPGA son FPGA de gama alta. Estos FPGA cuentan con una gran cantidad de bloques lógicos configurables (CLB) y recursos de enrutamiento, lo que les permite realizar cálculos complejos en paralelo. Los FPGA de gama alta también tienen un consumo de energía relativamente bajo, lo que los hace adecuados para aplicaciones que requieren mucha potencia de procesamiento pero costos mínimos de energía. [2]

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Aplicaciones de los FPGA

Los FPGA cuentan con una amplia gama de aplicaciones, desde circuitos digitales simples hasta sistemas integrados complejos. El uso de su modelo FPGA particular dependerá de los elementos lógicos y los recursos de enrutamiento disponibles. En esta sección, analizaremos algunas de las aplicaciones más comunes de los FPGA.

Aeroespacial y Defensa

Los FPGA se utilizan cada vez más en aplicaciones aeroespaciales y de defensa por su flexibilidad y fiabilidad. Permiten un procesamiento más rápido, una mejor seguridad de hardware, sistemas de control avanzados y una mejor integridad de la señal. Los FPGA se pueden utilizar para el desarrollo de sistemas de guerra electrónica, sistemas de radar o sistemas de imágenes y navegación. Los FPGA se utilizan a menudo en aplicaciones espaciales muy exigentes, como la comunicación por satélite o las comunicaciones militares.

La aplicación basada en FPGA más utilizada es visión incrustada que ayuda a los satélites a identificar objetos en el suelo o detectar cambios en el terreno durante un largo período de tiempo. Los FPGA también ofrecen un gran rendimiento cuando se trata de operaciones de orientación y navegación, como el piloto automático, los sistemas de gestión de vuelo (FMS) o los sistemas de control de orientación de misiles.

Electrónica médica

Los FPGA se utilizan a menudo en electrónica médica. Sus características reprogramables y personalizables los hacen ideales para tareas complejas como analizar, procesar e interpretar datos de pacientes. Además de brindar una solución rentable para este tipo de aplicaciones, los FPGA también pueden brindar un rendimiento y una confiabilidad mejorados. Una aplicación típica podría incluir el uso de un FPGA para procesamiento de señales o análisis de imágenes. Esto podría incluir funciones como la detección de anomalías en las señales de ECG o el análisis de imágenes de rayos X. Otros usos pueden incluir el control de robots quirúrgicos o incluso la conducción de prótesis o miembros artificiales mediante señales corporales (por ejemplo, EMG).

Prototipos ASIC

Los FPGA también se han utilizado como una herramienta invaluable para la creación rápida de prototipos de Circuitos integrados de aplicación específica (ASIC). Un prototipo de ASIC permite a los diseñadores e ingenieros probar sus diseños antes de asignar recursos a los ASIC de nivel de producción. Un FPGA proporciona una forma para que un ingeniero de diseño configure, programe, modifique y valide rápida y fácilmente un prototipo ASIC en las primeras etapas de desarrollo. Esto no solo ahorra tiempo y dinero, sino que también simplifica mucho el proceso de depuración. Por ejemplo, si hay un error en la lógica de un ASIC prototipo, el ingeniero puede reprogramar fácilmente el FPGA para corregirlo. Además, los prototipos de FPGA son mucho más flexibles que los ASIC de lógica fija y permiten cambios dinámicos durante el desarrollo.

Aplicaciones de audio

Los FPGA son ampliamente utilizados en aplicaciones de audio tales como procesamiento de señales digitales, síntesis de sonido y conversión de analógico a digital. En este tipo de aplicaciones, el FPGA proporciona una plataforma poderosa para implementar algoritmos de baja latencia y alto rendimiento que se pueden programar usando una variedad de herramientas. En las aplicaciones de síntesis de sonido, los FPGA se usan para generar formas de onda que tienen diferentes formas (por ejemplo, cuadrado, diente de sierra) para su uso en instrumentos musicales u otros dispositivos de audio. Mediante la programación de los elementos lógicos de la FPGA, es posible producir cualquier forma de onda arbitraria mediante la combinación de múltiples señales sinusoidales.

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Aplicaciones Automotrices

Los FPGA se utilizan mucho para aplicaciones automotrices principalmente debido a su capacidad para ser reprogramados de forma rápida y eficiente. Se pueden reconfigurar para diferentes tareas sobre la marcha, a diferencia de los ASIC (circuitos integrados específicos de la aplicación) que deben diseñarse desde cero cada vez que se necesita una nueva aplicación. El uso de FPGAs permite a los fabricantes reducir el costo y la complejidad del diseño ya que pueden adaptar IP (propiedad intelectual) existente.

Esto les permite agregar funciones más adelante en el ciclo de desarrollo en lugar de tener que volver atrás y rediseñar componentes cuando algo cambia o falla. También simplifica el proceso de prueba, ya que los errores se pueden aislar y corregir fácilmente.

Transmisión

Los FPGA se utilizan cada vez más en aplicaciones de difusión. Esto se debe a su flexibilidad y capacidad de programación, lo que les permite realizar tareas que de otro modo requerirían hardware dedicado. Los FPGA se pueden usar para muchas tareas de transmisión diferentes, como el procesamiento de señales, la codificación/descodificación y la manipulación de datos. También pueden escalar hacia arriba o hacia abajo según la tarea en cuestión. En términos de procesamiento de señales, los FPGA se pueden usar para filtrar señales y reducir el ruido. Esto ayuda a crear una forma de transmisión más consistente y confiable con menos interferencia de fuentes externas.

Además, también se pueden usar para la sincronización de cuadros, lo cual es importante en la transmisión de video donde se deben transmitir múltiples cuadros para que la transmisión de video se vea fluida. Los FPGA también son capaces de manipular datos, lo cual es útil en aplicaciones de transmisión como radio y televisión.

Electrónica de consumo

Los FPGA se están empleando cada vez más para traer características avanzadas a electrónica de consumo productos Los FPGA pueden proporcionar alta confiabilidad, bajo consumo de energía y rentabilidad en comparación con los microprocesadores convencionales o ASIC (circuitos integrados específicos de la aplicación). Pueden ejecutar una variedad de diferentes paquetes de software simultáneamente sin necesidad de hardware adicional.

Computación de alto rendimiento

Los FPGA son cada vez más populares en aplicaciones informáticas de alto rendimiento (HPC) debido a su capacidad para proporcionar paralelismo masivo y baja latencia. Los FPGA se han utilizado con éxito en una variedad de aplicaciones de HPC, como procesamiento de imágenes, codificación/descodificación de video, aprendizaje automático/aprendizaje profundo, análisis financiero y cargas de trabajo de centros de datos. Además de proporcionar la capacidad de velocidades de procesamiento ultrarrápidas, las FPGA ofrecen varias ventajas clave sobre las CPU o GPU tradicionales para HPC.

En general, la tecnología FPGA es útil en una variedad de aplicaciones debido a su flexibilidad, bajo costo y capacidades de alto rendimiento. Con los continuos avances en tecnología, podemos esperar ver aún más usos para los FPGA en el futuro. [1], [2], [3]

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Preguntas más frecuentes

¿Son los FPGA más rápidos que la CPU?

En general, el rendimiento de la FPGA depende de la aplicación y la arquitectura específicas del dispositivo. Sin embargo, en la mayoría de los casos, una FPGA es más rápida que una CPU para ciertos tipos de aplicaciones porque sus bloques lógicos, que pueden configurarse para diferentes tareas, son más eficientes que usar varios conjuntos de instrucciones de propósito general.

Los FPGA también tienen varias ventajas sobre las CPU en lo que respecta a la velocidad. Por ejemplo, no necesitan realizar cambios de contexto entre instrucciones, como hacen muchos procesadores modernos. Además, su configuración se puede cambiar rápidamente sin necesidad de reprogramar o recompilar el código del software. Esto significa que los nuevos algoritmos o funciones se pueden probar rápidamente y con una interrupción mínima de las operaciones existentes.

¿Un FPGA es analógico o digital?

Una matriz de puertas programables en campo, o FPGA, es un tipo de circuito integrado diseñado para facilitar la implementación de diseños lógicos digitales. Se compone de elementos lógicos que se pueden programar y reprogramar para crear aplicaciones de hardware personalizadas.

Los FPGA solo pueden crear aplicaciones digitales, ya que solo contienen elementos lógicos que procesan señales binarias. Por lo tanto, los FPGA se pueden usar para crear sistemas digitales como procesadores, memorias y redes de comunicación. Estas aplicaciones generalmente se implementan conectando los elementos lógicos entre sí a través de interconexiones programables.

¿Cuál es la arquitectura básica de FPGA?

Los FPGA, o matrices de compuertas programables en campo, son circuitos integrados que contienen una matriz de dispositivos lógicos programables (PLD), como compuertas lógicas y flip flops, que un usuario puede configurar para realizar funciones específicas.

La arquitectura básica de una FPGA incluye varios componentes:

  • Circuitos de entrada/salida (E/S): proporcionan la interfaz entre la FPGA y su entorno externo. Incluyen almohadillas para conectar señales externas, así como búferes, pestillos y transceptores de bus.

  • Bloques lógicos configurables (CLB): estos bloques contienen elementos lógicos configurables que incluyen tablas de búsqueda (LUT), flip-flops (FF) y multiplexores (MUX). Son el núcleo de una FPGA y proporcionan capacidad lógica programable.

  • Interconexiones: proporcionan una conexión entre los CLB y otros componentes dentro de la FPGA. Las interconexiones se pueden configurar para enrutar señales de una parte del arreglo a otra.
  • Circuitos de interfaz de programación: proporcionan la interfaz para programar el FPGA en el encendido o durante el tiempo de ejecución. También permiten leer datos del dispositivo y recibir datos de configuración de fuentes externas como la memoria Flash.

¿Qué es una FPGA y su aplicación?

Los FPGA, o arreglos de puertas programables en campo, son circuitos integrados que se pueden programar para realizar funciones digitales complejas. Se utilizan en una variedad de industrias que incluyen telecomunicaciones, automotriz, aeroespacial y de defensa, imágenes médicas y automatización industrial. Los FPGA tienen la capacidad de reconfigurar sus recursos lógicos sobre la marcha de acuerdo con las necesidades de una aplicación, lo que los hace mucho más flexibles que los ASIC tradicionales (Circuitos integrados específicos de la aplicación).

Los FPGA se pueden usar para una amplia gama de aplicaciones, como procesamiento de imágenes, diseño de sistemas integrados, computación de alto rendimiento e incluso aplicaciones basadas en IA. Los FPGA también brindan múltiples ventajas sobre las CPU y las GPU debido a sus capacidades de paralelismo que les permiten procesar datos de manera eficiente en grandes volúmenes.

¿Qué es una arquitectura FPGA diferente?

Los FPGA tienen una arquitectura diferente a las CPU o GPU tradicionales. Los FPGA se componen de una gran cantidad de bloques lógicos programables, que se pueden configurar para ejecutar varias operaciones lógicas. A diferencia de las CPU y las GPU, las FPGA no tienen un conjunto de instrucciones predefinido; en cambio, las operaciones lógicas son definidas por el usuario en un lenguaje de descripción de hardware (HDL). Esto permite mucha más flexibilidad y personalización en el diseño. Además, los FPGA generalmente también tienen serializadores/deserializadores de alta velocidad (SERDES) y bloques de memoria que se pueden usar para aumentar el rendimiento y reducir el consumo de energía.

¿Qué lenguaje se usa en FPGA?

Los FPGA generalmente se programan utilizando lenguajes de descripción de hardware (HDL) como VHDL y Verilog. Los HDL le permiten crear diseños lógicos digitales desde el nivel de puertas lógicas individuales hasta componentes de nivel superior como memorias y procesadores, que luego pueden implementarse directamente en un FPGA.

Estos HDL se compilan en una lista de conexiones, que es básicamente un esquema eléctrico que representa el diseño de FPGA en términos de sus transistores, flip-flops y otros elementos. Luego, la lista de conexiones se sintetiza mediante herramientas especializadas y se carga en el propio chip FPGA para crear su diseño de circuito personalizado.

Además de los HDL, los FPGA más nuevos han comenzado a admitir lenguajes de alto nivel como C, que le permiten diseñar componentes en una interfaz más similar a la de un software. Esto puede ser especialmente útil para la creación de prototipos y la depuración, al mismo tiempo que permite una portabilidad más sencilla de los diseños entre diferentes plataformas.

Video útil: ¿Qué es un FPGA?

Conclusión

Los FPGA se han vuelto cada vez más populares en los últimos años debido a su arquitectura versátil, bajo consumo de energía y asequibilidad relativa.

Los FPGA se pueden usar en una amplia variedad de aplicaciones, desde pequeños dispositivos IoT hasta grandes sistemas industriales. Al comprender los conceptos básicos detrás del diseño y desarrollo de FPGA, los diseñadores pueden aprovechar esta poderosa tecnología para crear soluciones innovadoras para sus proyectos. Con una planificación cuidadosa y la consideración de los requisitos de la aplicación, un FPGA puede proporcionar un gran valor al mismo tiempo que reduce los costos y el tiempo de comercialización.

En esencia, FPGA es una herramienta increíblemente poderosa con capacidades de rendimiento eficientes que la hacen ideal para muchas aplicaciones. Sin embargo, el diseño con un FPGA requiere el conocimiento de los principios de ingeniería de hardware y software, así como una comprensión profunda de la arquitectura FPGA. Con esto en mente, los diseñadores deben asegurarse de tener todos los conocimientos y recursos necesarios antes de comenzar su proyecto.

Esperamos que esta guía haya proporcionado información valiosa sobre los conceptos básicos de la arquitectura y las aplicaciones de FPGA. Con la investigación y la planificación adecuadas, los diseñadores pueden aprovechar los potentes FPGA para crear soluciones innovadoras para sus proyectos.

Una vez más, ¡gracias por leer nuestra guía épica sobre los conceptos básicos de la arquitectura y las aplicaciones de FPGA! ¡Le deseamos éxito en su viaje al mundo de los FPGA!

Referencias

  1. https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/fpga-basics-architecture-applications-and-uses

  2. https://www.elprocus.com/fpga-arquitectura-y-aplicaciones/
  3. https://www.watelectronics.com/fpga-architecture-applications/
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