Kišeniniai FPGA: perprogramuojami kompiuteriai

Trumpa istorija: kaip FPGA atkeliavo į kišenes

Field-Programmable Gate Array, arba FPGA, gimė kaip idėja suteikti dizaineriams galimybę rekonfigūruoti logiką aparatinėje įrangoje be brangių ir ilgalaikių ASIC proceso etapių. Xilinx, įkurta 1984 m., pradėjo komercinį FPGA judėjimą, o per ateinančius dešimtmečius į sceną įsiveržė kiti žaidėjai kaip Altera (vėliau įsigyta Intel) ir Lattice. Iki 2000-ųjų FPGA jau buvo plačiai naudojami tinklo įrangai, telekomunikacijoms ir pramonės kontrolės sprendimams, tačiau aukšta kaina ir sudėtingos įrankių grandinės ribojo masinį prieinamumą. Pastarajame dešimtmetyje įvyko dvi kertinės permainos: pigesni, energiją mažiau vartojantys FPGA branduoliai ir atvirojo kodo įrankiai, leidžiantys entuziastams ir mažoms komandoms greitai kurti ir dalintis projektais. Būtent šios permainos ir leido FPGA išeiti iš serverių kambarių ir atsidurti kišenėse.

Kodėl dabar: technologiniai katalizatoriai

Per pastaruosius kelerius metus keli faktoriai susivedė į vieną kryptį. Pirmiausia, kūrėjai atvėrė anksčiau uždaro gamybos proceso blokų per projektus, tokius kaip atviro kodo įrankių grandinės, kurios palaiko pigesnius Lattice iCE40 serijos įrenginius. Tokios priemonės kaip Yosys ir Project IceStorm (pavadinimai pažįstami entuziastams) išstūmė didžiąją dalį barjerų, anksčiau susijusių su įsigijimu ir naudojimu FPGA. Antra, matome naujas mažo galingumo, mažo šiluminio sąnaudos FPGA šeimas, kurios tinka baterijomis varomiems įrenginiams. Trečia, bendruomenės projektai – nuo MiSTer retro konsolės iki Fomu USB-FPGA eksperimentų – įrodė, kad net minimalūs FPGA gali atlikti sudėtingas užduotis, kurios seniems mikrovaldikliams reikalavo kompromisų.

Ši sintezė leidžia praktiškai bet kuriam kūrėjui su nedidele investicija pradėti kurti aparatinės įrangos prototipus, perprogramuojamus periferinius įrenginius ar net mobilius tinklo komponentus, neprivalant užsakyti ASIC.

Pavyzdiniai įrenginiai ir kainų spektrai

Kišeninių FPGA ekosistema apima nuo USB raktų dydžio įrenginių iki pilnaverčių plokščių su procesoriais. Keletas reprezentatyvių pavyzdžių ir kainų intervalų:

• USB-FPGA raktai ir maži moduliai (pavyzdžiui, Fomu tipo arba iCEstick tipo) dažnai kainuoja nuo 20 iki 50 JAV dolerių. Jie tinka eksperimentams, USB periferijų kūrimui ir mažiems prototipams.

• TinyFPGA ir panašios plokštės, orientuotos į entuziastus, paprastai kainuoja 30–70 USD ir siūlo gerą pusiausvyrą tarp IO galimybių ir paprastumo.

• MiSTer ir kiti retro-FPGA sprendimai, kuriuose naudojami galingesni ĮSD plokščių moduliai (pvz., DE10-Nano su Cyclone V), kainuoja 100–200 USD už plokštę, o pilni komplektai su papildomomis plokštėmis – iki 300–400 USD.

• Profesionali arba pramoninė FPGA plokštė, su didesniu resursų kiekiu, gali kainuoti kelis šimtus ar net tūkstančius dolerių.

Šie kainų lygiai rodo dramatišką prieinamumo pokytį per pastarąjį dešimtmetį. Kitaip tariant, tai, kas anksčiau buvo universiteto laboratorijos ar korporacijos įrankis, dabar yra prieinama pavieniam kūrėjui už sumą, kurią daug kas gali skirti hobiui.

Praktiniai naudojimo atvejai: nuo retro iki rimtų įrankių

Kišeniniai FPGA randa pritaikymą įvairiose srityse. Retro entuziastams jie yra svajonių realizacija: per FPGA galima tiksliai emuliuoti senų konsolių aparatūrą lemiamu lygiu, išvengiant greičio ar sinchronizacijos problemų, būdingų programinei emuliacijai. Tačiau tai nėra vien nostalgija. Inžinieriai naudoja mažus FPGA kaip programinius periferinius valdiklius, kad sukurtų greitus USB priedus, logikos analizatorius ar protokolo tilteliai, kuriuos galima atnaujinti tiesiog perrašant konfigūraciją.

Be to, FPGA leidžia eksperimentuoti su alternatyviais instrukcijų rinkiniais, pvz., RISC-V, paleidžiant minkštuosius branduolius ant mažos plokštės. Tai suteikia vystymo komandai visišką kontrolę tiek aparatinės, tiek programinės įrangos lygmenyje, greitinant prototipų kūrimą naujoms produktų idėjoms. Dėl to mažos įmonės gali išbandyti idėjas, kurios anksčiau reikalavo didelių investicijų į ASIC.

Bendruomenė, įrankiai ir pradžia

Vienas didžiausių kišeninių FPGA sėkmės katalizatorių yra aktyvios bendruomenės ir atvirojo kodo įrankiai. Projektai kaip Project IceStorm, Yosys ir nextpnr sukūrė pilną įrankių grandinę, leidžiančią sintetinti, patikrinti ir užkrauti dizainus į Lattice iCE40 šeimos įrenginius be uždarų gamyklinių įrankių. Socialiniai kanalai, forumai ir GitHub repo padeda naujokams rasti pavyzdinius projektus, pamokas ir šablonus.

Norint pradėti, pakanka įsigyti mažą USB-FPGA įrenginį, instaliuoti atvirojo kodo įrankius ir pereiti kelis pamokinius projektus: LED blinkeris, UART tiltas, paprastas lokalus tinklo adapteris. Tada galima judėti prie sudėtingesnių objektų: minkštųjų CPU branduolių, periferinių valdiklių ir net signalo apdorojimo grandinių.

Iššūkiai ir apribojimai

Nepaisant prieinamumo didėjimo, FPGA turi savo ribas. Daugumoje pigesnių įrenginių resursai (LOgic elements, BRAM, DSP) yra riboti, todėl jie netinka visiems darbams. Kitas iššūkis – įrankių platus komplektas ir mokymosi kreivė: nors atvirojo kodo priemonės sumažino barjerus, aparatinės logikos dizainas vis dar reikalauja kitokio mąstymo nei programavimas. Energijos vartojimas ir šilumos problema taip pat aktuali, kai norima atlikti daug paralelinių operacijų mažame korpuse. Galiausiai, kai kurie gamintojai vis dar laikosi uždarų sprendimų, o tai riboja suderinamumą ar prieinamumą tam tikroms funkcijoms.

Kas laukia ateityje: potencialas ir verslo poveikis

Kišeniniai FPGA nėra vien tik hobio trendas; jie gali pakeisti kelių segmentų produktų kūrimo ciklus. Greitesnis prototipavimas reiškia trumpesnį kelią nuo idėjos prie produkto, o tai ypač naudinga smulkioms įmonėms ir startuoliams. Be to, konfigūruojamumas sukuria galimybes priedams ir periferijoms, kurios atnaujinamos per programinę įrangą, ilgiau išlaikant produkto vertę. Rimtesnis rezultatas – specializuoti sprendimai, kurie anksčiau reikalavo ASIC gali būti eksperimentuojami ir net įdiegiami naudojant FPGA, kol rinkai pasiteisins idėja.

Ateityje galime matyti dar artimesnį integracijos su išmaniaisiais telefonais ir nešiojamaisiais įrenginiais sluoksnį, kur FPGA atlieka konkrečius, aukštai specializuotus aparatinės įrangos uždavinius ir paleidžiami tik reikiamu momentu siekiant taupyti energiją. Tai atveria erdvę naujoms paslaugoms ir produktams, kurių kūrėjai gali eksperimentuoti be didelių pradinių kaštų.

Kaip prisidėti arba išbandyti šiandien

Jei domina eksperimentai su kišeniniais FPGA, pradėti galima greitai. Rinkitės mažą USB-FPGA modulį arba TinyFPGA plokštę, susipažinkite su atvirojo kodo įrankių grandine, ir raskite bendruomenės projektą, kurį norite rekonstruoti arba patobulinti. Dalyvavimas forumuose ir atvirojo kodo projektuose ne tik pagreitins jūsų mokymąsi, bet ir padės suprasti realaus pasaulio apribojimus bei galimybes.

Kišeniniai FPGA jau keičia tai, kaip mes galvojame apie įrangą: ne kaip apie fiksuotą daiktą, o kaip apie platformą, kurią galima atnaujinti, perprogramuoti ir pritaikyti. Tai žada ne tik naujus hobius, bet ir naujas verslo galimybes bei techninius sprendimus, kuriuos verta sekti dabar.