Bei einem FPGA oder Field Programmable Gate Array handelt es sich um einen halbleiterintegrierten Schaltkreis, in dem die elektrische Funktion zur Beschleunigung wichtiger Workloads spezifisch angepasst wird.

Ein FPGA ist ein Halbleiter-IC, bei dem ein Großteil der elektrischen Funktionalität im Inneren des Geräts geändert werden kann, und zwar durch den Entwicklungsingenieur, während der Leiterplattenbestückung oder sogar nach der Auslieferung des Geräts an den sich im „Feld“ befindenden Kunden.

SoC-FPGA-Komponenten integrieren sowohl Prozessor- als auch FPGA-Architekturen in einem einzigen Gerät.

Die Integration der High-Level-Verwaltungsfunktionalität von Prozessoren und der anspruchsvollen Echtzeit-Operationen, der extremen Datenverarbeitung oder der Schnittstellenfunktionen eines FPGA (Field Programmable Gate Array) in einem einzigen Gerät schafft eine noch leistungsfähigere Embedded-Computing-Plattform.

Demnach bieten sie eine höhere Integration, geringeren Energieverbrauch, eine kleinere Board-Größe und eine Kommunikation mit höherer Bandbreite zwischen dem Prozessor und dem FPGA. Darüber hinaus verfügen sie über eine Vielzahl von Peripheriekomponenten, On-Chip-Speicher, ein FPGA-ähnliches Logik-Array und Hochgeschwindigkeits-Transceiver.

Flexibilität

Die FPGA-Funktionalität kann sich bei jedem Einschalten des Geräts ändern.

Beschleunigung

Bringen Sie Ihre Produkte schneller auf den Markt und/oder steigern Sie die Leistung Ihres Systems.

Integration

Heutige FPGAs umfassen On-Die-Prozessoren, Transceiver-I/Os mit 28 Gbit/s (oder schneller), RAM-Blöcke, DSP-Engines und mehr.

Gesamtbetriebskosten

ASICs mögen zwar pro Exemplar weniger kosten als ein gleichwertiges FPGA, aber ihre Herstellung erfordert einmalig anfallende Kosten, teure Softwaretools, spezialisierte Entwicklungsteams und lange Fertigungszyklen.

Prozessoren in SoC-FPGAs können „hart“ oder „weich“ sein. Harte Prozessoren sind in der festen Silizium-Logik des SoC-FPGAs implementiert, ähnlich wie serielle Transceiver. Bei SoC-FPGAs ist der Prozessor jedoch von programmierbarer Logik umgeben, die für benutzerdefinierte oder anwendungsspezifische Funktionen verwendet werden kann. Harte Prozessoren bieten eine höhere CPU-Leistung als weiche Prozessoren, was von Faktoren wie der Prozessorarchitektur, der Taktfrequenz und der Prozesstechnik abhängt. Wie der Name schon andeutet, sind die Funktionssätze von harten Prozessoren festgelegt und werden in der Regel nur als Variante eines bestimmten SoC-FPGA angeboten. Die Anzahl und der Typ der harten Prozessoren innerhalb eines SoC-FPGAs werden ebenfalls als Funktion dieses bestimmten SoC-FPGAs festgelegt. Altera® bietet harte Prozessoren in den Produktreihen Intel® Stratix® 10 SoC FPGA, Intel® Arria® 10 SoC FPGA, Arria® V SoC FPGA und Cyclone® V SoC FPGA an.

Weiche Prozessoren wie der Nios® II Prozessor sind in programmierbarer Logik implementiert, verwenden On-Chip-Ressourcen wie Logikelemente, Multiplikatoren und Arbeitsspeicher und können in fast jeder FPGA-Produktfamilie instanziiert werden. Die Leistung und die Kosten eines weichen Prozessors hängen im Wesentlichen von dem FPGA ab, in dem der Prozessor instanziiert wird. Allerdings sind Leistung und Kosten in der Regel niedriger als bei harten Prozessoren. Die Anzahl der weichen Prozessoren, die in einer einzigen Komponente instanziiert werden können, ist nur durch die Ressourcen der Komponente (d. h. ihre Logik und ihren Arbeitsspeicher) begrenzt. FPGAs mit hoher Dichte können beispielsweise über Hunderte von weichen Prozessoren verfügen. Gleichermaßen können unterschiedliche Typen von weichen Prozessoren implementiert werden: mit 16 oder 32 Bit, auf Leistung oder den Logikbereich optimierte usw. Sie können Ihre weichen Prozessordesigns zu harten Prozessorimplementierungen migrieren, wenn Sie zu Gate-Arrays oder zellbasierten Designs wechseln. Ebenso können ein oder mehrere weiche Prozessoren im FPGA-Teil eines SoC-FPGA verwendet werden.

Es gibt viele Möglichkeiten, FPGAs in einem Embedded System einzusetzen. Zu den typischen Einsatzmöglichkeiten zählen:

• I/O- und Peripherie-Erweiterung – Fügen Sie Peripheriekomponenten hinzu, die in Ihrem aktuellen Prozessor fehlen, wie z. B. LCD- oder Arbeitsspeicher-Controller, oder erhöhen Sie die Anzahl der I/O-Kanäle in Ihrem System durch Hinzufügen von Ethernet-, General-Purpose I/O (GPIO)- oder UART-Ports.
• Coprocessing – Steigern Sie die Systemleistung, indem Sie rechenintensive Algorithmen von Software, die auf dem Prozessor ausgeführt wird, auf Hardware in dem FPGA verlagern. Anwendungen für Signalverarbeitung, Bildverarbeitung und Paketverarbeitung ermöglichen erhebliche Leistungssteigerungen, wenn sie in Hardware und nicht in Software ausgeführt werden.
• Benutzerdefinierter Embedded Controller – Sie entscheiden, welche (und wie viele) Prozessoren, Peripheriekomponenten, Schnittstellen, DMA-Kanäle (Direct Memory Access) und Arbeitsspeicher in Ihren benutzerdefinierten Embedded Controller integriert werden sollen.
• Multiprozessor – Beschleunigen Sie Ihre Software-Entwicklung, verbessern Sie die Zuverlässigkeit von Code und verbessern Sie die Wartbarkeit durch die Verteilung von Aufgaben auf mehrere CPUs. Sie können ein Multiprozessorsystem als maßgeschneidertes System innerhalb eines einzelnen FPGA oder als Ergänzung zu einer externen CPU oder einem digitalen Signalprozessor entwickeln.