FPGAs: Was ist das und was hat das mit Ihnen zu tun?

Da FPGAs derzeit Dauerthema sind, untersuchen wir, was sie sind und wie sie den FSI-Unternehmen im Jahr 2019 und darüber hinaus helfen können.

FPGAs können verwendet werden, um die meisten zeitkritischen Netzwerkfunktionen zu beschleunigen.

Von Steve Bradley, Technikjournalist

Das einzig Beständige im Finanzsektor ist die Veränderung. Und wenn es um gesetzgeberische Veränderungen geht, dann erst recht. Um diese Veränderung nutzen zu können, müssen Unternehmen jedoch schnell reagieren können.

Die Frage, die Sie sich stellen müssen, lautet: „Verfügt das Unternehmen über die Tools, mit denen es schneller und effektiver als je zuvor reagieren kann?“ Weil es dazu in der Lage sein muss.

Damit gehört FPGAs sehr wahrscheinlich die Zukunft. Aber was sind diese mysteriösen Wunderlösungen?

FPGAs sind Silizium-Geräte, die dynamisch mit einem Hardwaredesign und Datenpfad neu programmiert werden können, die genau mit der Arbeitslast eines Benutzers übereinstimmen.

Der vorliegende Artikel informiert Sie über alles Wissenswerte.

Was kann ein Produktname schon aussagen? Sehr viel!

Die zweite Hälfte des Namens, Gate Array, beschreibt die logischen Gates, die einfachen Bausteine jeder digitalen Schaltung. Wenn sie in Zeilen und Spalten angeordnet werden, bilden sie ein Array. Selbst der komplexeste Prozessor kann in Blöcke von Logik-Gates, einfachen ANDs und ORs unterteilt werden, die zu Schaltkreisen, Leitern, Multiplikatoren, Flipflops, Registern und Akkumulatoren verbunden sind. Diese Granularität geht bei heutigen umfangreichen Integrationen oft verloren.

Der Namensbestandteil „Programmable“ zeigt an, dass die Art und Weise, in der die Logik-Gates miteinander verbunden sind, nicht vordefiniert ist. Das bedeutet, dass es keine vordefinierten Konfigurationen für einen FPGA gibt; beim Einschalten liegt im Wesentlichen ein Meer unverbindlicher Logik vor. Die Konfiguration erfolgt über Designdateien, die normalerweise extern gespeichert und beim Einschalten geladen werden. Diese Dateien teilen dem FPGA mit, wie die Logik verbunden werden muss, um größere Funktionen zu erstellen.

Der Namensbestandteil „Field“ bezieht sich auf die Tatsache, dass die Konfiguration bei jedem Einschalten des Geräts aufs Neue stattfindet. Wenn ein FPGA startet, kann es auf verschiedene Arten konfiguriert werden. Tatsächlich ist kein Aus- und Einschalten erforderlich. Viele FPGAs können jetzt in Echtzeit neu konfiguriert werden, während Teile des Geräts noch laufen. Diese Fähigkeit, praktisch jede Aufgabe mit speziell für diese Aufgabe entwickelter Hardware auszuführen, ist der Vorteil von FPGAs in Hochleistungsanwendungen wie Rechenzentren.

Arbeiten mit FPGAs

Grundsätzlich sind Systeme, die ausschließlich durch ihre Software definiert werden, durch ihre Hardware eingeschränkt. Dies ist der Fall bei MPUs (Memory Protection Units = Arbeitsspeicherschutzeinheiten). Was auch immer in der Software geschieht, wird auf derselben zugrunde liegenden Hardware ausgeführt. Die Abstraktion zwischen den beiden wird vom Compiler gehandhabt.

Bei einem FPGA muss die Aufgabe – normalerweise in der Software definiert – nicht der Hardware-Architektur entsprechen, tatsächlich ist das Gegenteil der Fall: die Hardware entspricht der Aufgabe, die nicht mehr von der Software definiert werden muss, zumindest nicht im herkömmlichen Sinn.

Mehrere Vorzüge gleichzeitig

Wenn Sie einen Multiplikator in der FPGA-Software beschreiben, wird er einfach als Multiplikator in der Hardware implementiert. Um es noch einfacher auszudrücken: Jede Codezeile wird in der FPGA-Software gleichzeitig ausgeführt; erst auf diese Art sind Architekturen wirklich parallel.

Sprachkurs

Die Sprache, die zur Definition der Hardware-Struktur eines FPGA verwendet wird, wird im Allgemeinen als Hardware Description Language oder HDL bezeichnet. Der Prozess der Erstellung einer HDL wird als Synthese bezeichnet, und der Designverlauf für ein FPGA ähnelt dem eines ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

Eine der wichtigsten Designphasen besteht darin, zu überprüfen, ob die Hardware den Spezifikationen entspricht. Da es sich hierbei um echte Hardware handelt, die parallel ausgeführt wird, ist einer der wichtigsten zu überprüfenden Parameter das Timing. Zeitgesteuerte Beendigung kann eine der schwierigsten Phasen sein, ist aber von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion. Glücklicherweise stehen Ihnen hoch entwickelte EDA-Tools zur Verfügung, um den gesamten Entwicklungszyklus zu vereinfachen.

FPGAs im Einsatz

Eine der einfachsten Möglichkeiten, FPGAs in einem realen Umfeld wie einem Rechenzentrum zu nutzen, ist die Verwendung einer Intel® FPGA Programmable Acceleration Card (Intel® FPGA PAC). Intel bietet PACs, die auf dem Arria® 10 GX FPGA und dem Stratix® 10 SX FPGA basieren. Ein Beispiel hierfür ist die Intel® FPGA PAC D5005, die in vielen Marktsegmenten implementiert werden kann, wie z. B. Finanzen und Analysen.

Warum also ist dies für Sie von Interesse?

FPGAs haben sich über mehrere Jahrzehnte hinweg weiterentwickelt und stehen seit jeher an der Spitze, was Leistung betrifft. Als leistungsstärkste Form von Standard-IC, die Entwicklern zur Verfügung steht, können FPGAs verwendet werden, um die zeitkritischsten Netzwerkfunktionen zu beschleunigen.

Für Finanzdienstleistungsunternehmen gibt es eine ganze Reihe von Vorteilen. Ganz oben auf der Liste stehen Risikoanalysen und Hochfrequenzhandel, und Geschwindigkeit ist in beiden Bereichen von entscheidender Bedeutung – ganz gleich, ob Sie Risiken managen oder die beste Handelsentscheidung treffen möchten. Dank der Tatsache, dass Daten in Zehntelnanosekunden decodiert werden können, ist Ihr Unternehmen stets den entscheidenden Schritt voraus. Mit anderen wichtigen Vorteilen wie Handeln mit extrem niedriger Latenz, Algorithmushandel und mehreren Verwendungsmöglichkeiten in der Datenanalyse spielen FPGAs eine große Rolle.

Intel ist stets bemüht, höhere Leistung in jeder nur denkbaren Form zu ermöglichen, und FPGAs sind ein wichtiger Teil dieser Strategie. Durch die Bereitstellung der besten Hardwareplattformen, ergänzt durch die fortschrittlichsten EDA-Tools der Branche für die FPGA-Entwicklung, haben Unternehmen das Potenzial, die bestmögliche Leistung abzurufen.

Diese Vielseitigkeit ermöglicht die Bereitstellung von schneller Rechenleistung, Energieeffizienz und von Services mit geringer Latenz, was die Gesamtbetriebskosten senken und die Rechenkapazität unter Berücksichtigung der Energie-, Platz- und Kühlungseinschränkungen der jeweiligen Rechenzentren maximieren kann.

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