اف پی جی ای FPGA چیست؟ چه کاربردی دارد؟

FPGA چیست؟ این مقاله دروازه ورود شما به دنیای طراحی سخت‌افزار سفارشی خواهد بود. اگر مهندس برق یا کامپیوتر باشید، مطالعه این مقاله واقعا ضروری است. پس از مطالعه، درک عمیقی از تفاوت FPGA با CPU پیدا می‌کنید. همچنین متوجه می‌شوید چرا این تکنولوژی پردرآمد، ستون فقرات صنایع پیشرفته‌ای مانند ۵G و هوش مصنوعی به شمار می‌آید.

خلاصه محتوای این مقاله را می‌توانید از طریق فایل صوتی زیر بشنوید:

ویدئو معرفی اف پی جی ای FPGA چیست؟ چه کاربردی دارد؟

معرفی FPGA

FPGA مخفف عبارت Field-Programmable Gate Array است، به معنی «آرایه‌ی گیت قابل برنامه‌ریزی میدانی». این قطعه یک نوع خاص از مدارهای مجتمع قابل پیکربندی به شمار می‌آید. اساساً این تراشه برای پیاده‌سازی معماری‌های سخت‌افزاری سفارشی، به جای اجرای دستورالعمل‌های نرم‌افزاری متوالی، طراحی شده است.

FPGA برخلاف ریزپردازنده‌های عمومی (CPU) یا تراشه‌های اختصاصی (ASIC)، ساختاری ثابت ندارد. کاربران می‌توانند پیکربندی آن را پس از تولید، در میدان (Field) تغییر دهند و برنامه‌ریزی کنند.

اگر بخواهیم FPGA را در سطح یک مهندس سخت‌افزار تشریح کنیم، می‌توان آن را به یک "تخته لگوی الکترونیکی" با میلیاردها ترانزیستور تشبیه کرد. مهندس تعیین می‌کند که این ترانزیستورها و گیت‌های منطقی چگونه باید به یکدیگر متصل شوند. این اتصال با استفاده از زبان‌های توصیف سخت‌افزار (HDL) صورت می‌گیرد. مهندسان FPGA در واقع مشغول طراحی خودِ ساختار سخت‌افزار می باشند و نه صرفاً نوشتن یک برنامه نرم‌افزاری برای اجرا روی یک ماشین از پیش موجود.

معماری اصلی تراشه FPGA شامل سه عنصر کلیدی است. این عناصر بلوک‌های منطقی قابل تنظیم (CLBs)، شبکه‌های مسیریابی قابل برنامه‌ریزی و بلوک‌های ورودی/خروجی را در بر می‌گیرند. بلوک‌های منطقی قابل تنظیم (CLBs) که گاهی اوقات Logic Array Blocks یا LABs نامیده می‌شوند، واحدهای اصلی پیاده‌سازی منطق را تشکیل می‌دهند.

هر CLB از دو جزء اساسی تشکیل شده است:

• جداول جستجو (Lookup Tables یا LUTs): این جداول با استفاده از مقادیر بسیار کوچک حافظه RAM، وظیفه پیاده‌سازی منطق ترکیبی (Combinational Logic) را بر عهده می‌گیرند.
• فلیپ‌فلاپ‌ها (Flip-Flops): این عناصر به عنوان ثبات‌های دودویی عمل می‌کنند. از این عناصر برای پیاده‌سازی منطق ترتیبی (Sequential Logic) و ذخیره حالت‌های منطقی بین چرخه‌های کلاک (ساعت) استفاده می‌شود.

زمانی که مهندس کد توصیف سخت‌افزار را می‌نویسد، ابزارهای توسعه (EDA) آن را سنتز کرده و به نت‌ لیستی از گیت‌ها تبدیل می‌کنند. سپس، این نت‌لیست روی LUTها و فلیپ‌فلاپ‌ها نگاشت می‌شود. در نهایت، مسیردهی بین CLBها برقرار می‌گردد. این فرآیند نگاشت فیزیکی، اجرای عملکرد سیستم بدون نیاز به لایه‌های اضافی مانند سیستم عامل یا درایورها را فراهم می‌سازد.

تاریخچه و ویژگی‌های منحصر به فرد FPGA

تکنولوژی FPGA در دهه‌ی ۱۹۸۰ و در نتیجه‌ی نیاز به انعطاف‌پذیری در مدارهای منطقی پدید آمد. شرکت Xilinx، که در سال ۱۹۸۴ توسط راس فریمن، برنارد وندراشمیت و جیمز بارنت دوم تأسیس شد، اولین FPGA تجاری را در سال ۱۹۸۵ اختراع و به بازار عرضه کرد. ایده اولیه ساخت یک تراشه منطقی بود که کاربران بتوانند پس از تولید آن را سفارشی‌سازی کرده و برای کاربردهای خاص برنامه‌ریزی کنند.

FPGA دارای ویژگی‌های کلیدی متمایزی است که آن را به ابزاری حیاتی در مهندسی سخت‌افزار پیشرفته تبدیل می‌کند:

• قابلیت برنامه‌ریزی مجدد سخت‌افزار (Reconfigurability): مهم‌ترین ویژگی FPGA، امکان تغییر پیکربندی سخت‌افزاری آن پس از استقرار در "میدان" (Field) است. این قابلیت به مهندسان اجازه می‌دهد تا بدون صرف زمان و هزینه گزاف ساخت مجدد سیلیکون، ایرادات (باگ‌ها) را رفع کنند.
• پردازش موازی واقعی: FPGAها ذاتاً موازی عمل می‌کنند. در یک سیستم مبتنی بر پردازنده (CPU)، وظایف برای منابع مشترک رقابت می‌کنند و سیستم عامل زمان‌بندی را مدیریت می‌نماید. اما در FPGA، اگر ده وظیفه پردازشی مستقل وجود داشته باشد، هر ده وظیفه می‌توانند به طور کاملاً همزمان و بدون رقابت با یکدیگر، در بخش‌های مجزا از تراشه اجرا شوند.
• سرعت و قابلیت اطمینان سخت‌افزاری: منطق کاربردی مستقیماً روی مدارات پیاده‌سازی می‌شود و از طریق زمان‌بندی سخت‌افزاری کنترل می‌گردد. این موضوع باعث حذف سربار نرم‌افزاری، سیستم عامل و درایورها می‌شود. نتیجه این امر، زمان تاخیر بسیار پایین (Ultra-Low Latency) و قابلیت اطمینان بالا است که برای سیستم‌های کنترل بلادرنگ حیاتی است.

کاربرد FPGA در فناوری‌های پیشرفته

کاربردهای FPGA عمدتاً در زمینه‌هایی متمرکز است که نیاز به سرعت بی‌نظیر، تاخیر زمانی نزدیک به صفر، و توانایی انطباق سریع با تغییرات الگوریتمی دارند.

• پردازش سیگنال دیجیتال: FPGAها به دلیل بلوک‌های DSP داخلی بهینه شده و توانایی پردازش موازی، برای پردازش سریع حجم عظیمی از داده‌های دریافتی از حسگرها در زمان واقعی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این کاربرد در سامانه‌های رادار، سونار و تجهیزات پزشکی تصویربرداری رایج است.
• شبکه‌های مخابراتی: FPGAها به عنوان هسته پردازشی در ایستگاه‌های پایه (Base Stations) نسل پنجم و شبکه‌های انتقال نوری پرسرعت عمل می‌کنند. سری‌هایی مانند Virtex UltraScale+ از Xilinx و Agilex از Intel برای این کاربردها طراحی شده‌اند. آن‌ها انعطاف‌پذیری لازم برای مدیریت پروتکل‌های پیچیده پرسرعت (مانند ۱۱۲G PAM4) و سازگاری با استانداردهای در حال تکامل ۵G را فراهم می‌کنند.
• شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری در دیتاسنترها: FPGAها برای محاسبات با عملکرد بالا (HPC) و شتاب‌دهی به وظایف هوش مصنوعی در مراکز داده استفاده می‌شوند. FPGA برای کاربردهای Edge AI و بلادرنگ بسیار مناسب است.
• نمونه‌سازی اولیه (Prototyping) برای تراشه‌های ASIC: این کاربرد برای صنعت نیمه‌هادی بسیار حیاتی است. FPGAها به عنوان پلتفرم‌های نمونه‌سازی، به مهندسان اجازه می‌دهند تا طرح‌های بزرگ سیستم روی تراشه (SoC) با حجم‌های تا یک میلیارد گیت را پیش از ساخت ASIC، اعتبارسنجی کرده و اشکال‌زدایی کنند. این امر زمان عرضه محصول به بازار (TTM) را برای توسعه‌دهندگان به شدت کاهش می‌دهد.
• سیستم‌های نظامی و هوافضا: در این صنایع، FPGA به دلیل قابلیت اطمینان بالا، طول عمر طولانی و توانایی تغییر عملکرد تجهیزات پس از استقرار، یک جزء ضروری محسوب می‌شود.

چرا باید به عنوان یک مهندس سخت‌افزار، FPGA را یاد بگیریم؟

تسلط بر FPGA، نه تنها یک مهارت فنی، بلکه یک سرمایه‌گذاری استراتژیک در مسیر شغلی یک مهندس سخت‌افزار است.

اولاً، تسلط بر این فناوری، درک مهندس را از سطح نرم‌افزاری صرف فراتر می‌برد. او را به درک عمیق نحوه عملکرد مدار در سطح گیت‌ها و ترانزیستورها می‌رساند. یک مهندس FPGA یاد می‌گیرد که چگونه زمان‌بندی و کارایی را مستقیماً در سخت‌افزار بهینه کند.

ثانیاً، مهندسی FPGA یک حوزه کاری بسیار تخصصی و در نتیجه، پردرآمد است. متخصصان FPGA در صنایعی مانند ارتباطات، دفاعی و فناوری مالی تقاضای بالایی دارند. آمارها نشان می‌دهند که میانگین حقوق سالانه برای یک مهندس سخت‌افزار FPGA در ایالات متحده می‌تواند از ۱۲۳،۵۰۰ دلار تا ۱۶۳،۰۰۰ دلار یا بیشتر باشد.

ثالثاً، یادگیری FPGA مهندسان را در خط مقدم نوآوری‌های سخت‌افزاری قرار می‌دهد. با افزایش تقاضا برای محاسبات لبه (Edge Computing)، هوش مصنوعی و ارتباطات پرسرعت، نیاز به شتاب‌دهنده‌های سفارشی بیشتر می‌شود. توانایی یک مهندس FPGA برای پیاده‌سازی راه‌حل‌های سریع و کم‌تأخیر روی سیلیکون، او را به یک بازیگر اصلی در توسعه فناوری‌های نسل جدید تبدیل می‌کند.

ابزارها و نرم‌افزارهای مورد نیاز برای کار با FPGA

توسعه FPGA یک فرآیند پیچیده است که از چند مرحله کلیدی، از توصیف سخت‌افزار تا پیکربندی نهایی (Bitstream)، تشکیل شده. این فرآیند نیازمند مجموعه‌ای از ابزارهای تخصصی است:

• زبان‌های توصیف سخت‌افزار HDL
  VHD و Verilog: این دو زبان، استانداردهای صنعتی برای توصیف ساختار و رفتار مدارات دیجیتال به شمار می‌روند. هر مهندس FPGA باید بر یکی از این دو، با تمرکز بر نحوه نوشتن کد قابل سنتز، مسلط باشد.
• نرم‌افزارهای توسعه یکپارچه (EDA Suites):
  Xilinx Vivado Design Suite: مجموعه ابزارهای اصلی برای تراشه‌های AMD/Xilinx است که شامل ابزارهای سنتز، جای‌دهی و مسیریابی (Place & Route)، تحلیل زمان‌بندی و شبیه‌سازی است.
  Intel Quartus Prime: ابزار معادل برای خانواده تراشه‌های Intel/Altera است. این نرم‌افزارها جریان کامل طراحی را از HDL تا تولید فایل Bitstream مدیریت می‌کنند.
• ابزارهای سنتز سطح بالا (High-Level Synthesis - HLS):
  مانند Xilinx Vitis HLS یا Intel HLS Compiler، که امکان طراحی بخشی از سخت‌افزار را با استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالا مانند C یا C++ فراهم می‌کنند.
• بردهای توسعه FPGA -Development Boards:
  این بردها پلتفرم فیزیکی لازم برای تست و اعتبارسنجی طرح روی سخت‌افزار واقعی را فراهم می‌کنند. این بردها شامل مدل‌های آموزشی مقرون به صرفه تا بردهای پیشرفته SoC (مانند Zynq) را در بر می‌گیرند.

پیش‌ نیاز برای ورود به دنیای طراحی با FPGA

FPGA یک تخصص سخت‌افزاری ناب است. ورود به این حوزه مستلزم تسلط بر مبانی مهندسی می‌شود.

• تسلط کامل بر مفاهیم مدارهای منطقی و دیجیتال: این بنیان اصلی مهندسی FPGA است. درک عمیق از منطق ترکیبی، طراحی ثبات‌ها، و توانایی طراحی و تحلیل ماشین‌های حالت متناهی (FSM) برای بهینه‌سازی استفاده از منابع FPGA حیاتی است.
• معماری کامپیوتر و ریز معماری: دانش چگونگی عملکرد مسیر داده (Datapath)، واحد کنترل (Control Unit) و لوله‌گذاری (Pipelining) به مهندس امکان می‌دهد تا طرح‌های با کارایی بالا و پیچیده‌تر روی تراشه پیاده‌سازی کند.
• مهارت در توصیف و تأیید سخت‌افزار (Verification): توانایی نوشتن کدهای HDL-VHDL یا Verilog برای توصیف سخت‌افزار کافی به نظر نمی‌آید. مهندس باید بتواند Test Bench‌های قوی بنویسد و از شبیه‌سازها برای تایید صحت عملکرد طرح استفاده کند. برای تسلط بر این مهارت‌های حیاتی، شرکت در یک دوره آموزش طراحی سخت افزار با کمک تراشه‌های اف پی جی ای FPGA مسیر شما را کوتاه می‌کند.
• درک مفاهیم زمان‌بندی (Timing Constraints): درک عمیق از زمان‌بندی سنتز و مسیریابی، شامل مفاهیمی مانند Setup Time و Hold Time، برای اطمینان از دستیابی مدار به سرعت عملکرد مورد نظر ضروری است.

بازارکار و فرصت‌های شغلی برای متخصصان FPGA

مهارت در FPGA یک مهارت گرانبها در بازار جهانی است. این تخصص اغلب منجر به مشاغل بسیار متمرکز و با ارزش افزوده بالا می‌شود.

عناوین شغلی تخصصی:

• مهندس طراح RTL-RTL Design Engineer: وظیفه اصلی این مهندسان، طراحی ریز معماری و نوشتن کد HDL سنتزپذیر است که به ساختار نهایی سخت‌افزار تبدیل می‌شود.
• مهندس تأیید FPGA-FPGA Verification Engineer: این متخصصان بر طراحی محیط‌های تست (Test Benches) و متدولوژی‌های پیشرفته تأیید متمرکز عمل می‌کنند. نقش تأیید حیاتی است.
• مهندس سخت‌افزار دیجیتال و FPGA Developer

بیشترین تقاضا برای این متخصصان در شرکت‌های فعال در حوزه‌هایی مانند مخابرات (توسعه تجهیزات ۵G)، صنایع دفاعی و شرکت‌های نیمه‌هادی (برای نمونه‌سازی ASIC) مشاهده می‌شود. پتانسیل درآمد بالا برای این نقش‌ها، به دلیل ماهیت تخصصی و کمبود نیروی ماهر، یک مزیت شغلی قابل توجه محسوب می‌شود. همچنین برای موفقیت در رشته برق می‌توانید مقاله چگونه در رشته مهندسی برق موفق شویم؟ را نیز مطالعه فرمایید.

جایگاه جهانی FPGA و شرکت‌های پیشرو

بازار جهانی FPGA به شدت متمرکز است. تقریباً به طور کامل توسط دو شرکت بزرگ نیمه‌هادی کنترل می‌شود. تسلط بر اکوسیستم ابزارهای این دو شرکت، مهارت‌های شما را به یک استاندارد جهانی تبدیل می‌کند.

• AMD (با خرید Xilinx): شرکت AMD، پس از خرید Xilinx در سال ۲۰۲۲، با سهم تخمینی ۵۵٪ از بازار، رهبر بلامنازع این حوزه است. Xilinx پیشگام FPGA شناخته می‌شود و سری‌هایی مانند Virtex، Kintex و پلتفرم‌های تطبیقی مانند Versal را ارائه می‌دهد. ابزار توسعه اصلی برای محصولات AMD، Vivado Design Suite است.
• Intel (با خرید Altera): اینتل با خرید شرکت Altera، جایگاه دوم را با سهم تخمینی بیش از ۳۰٪ در اختیار دارد. اینتل با سری‌هایی مانند Agilex و Stratix و ابزارهای توسعه Quartus Prime در بازار HPC و ارتباطات رقابت می‌کند.

تسلط بر ابزارهای Vivado و Quartus عملاً مسیر دسترسی به بیش از ۸۰٪ فرصت‌های شغلی و پروژه‌های بزرگ جهانی را فراهم می‌کند. شرکت‌های کوچکتر مانند Lattice Semiconductor و Microchip Technology نیز با تمرکز بر بخش‌های کم‌مصرف، IoT و بازارهای تخصصی‌تر، در بازار حضور دارند.

مقایسه FPGA با سایر پردازنده‌ها: CPU ،GPU و ASIC

FPGA یک فناوری حد واسط است. درک ارزش آن با مقایسه با سایر معماری‌های محاسباتی میسر می‌شود. FPGA بالاترین انعطاف‌پذیری سخت‌افزاری را ارائه می‌دهد. این در حالی است که پردازنده‌های دیگر در نقطه‌ای در طول طیف کارایی و انعطاف‌پذیری قرار می‌گیرند.

FPGA در مقایسه با سایر معماری‌ها:

• CPU: انعطاف‌پذیری نرم‌افزاری بسیار بالا دارد. اما قدرت محاسباتی خام و کارایی توان آن پایین است.
• GPU: در موازی‌سازی داده‌ها برای آموزش مدل‌ها عالی عمل می‌کند. قدرت محاسباتی خام آن بالا است اما انعطاف‌پذیری سخت‌افزاری متوسطی دارد.
• ASIC: بالاترین کارایی توان و قدرت محاسباتی خام را دارد. اما انعطاف‌پذیری آن بسیار پایین است، زیرا برای یک کاربرد خاص (Application-Specific) طراحی می‌شود.

FPGA در موازی‌سازی واقعی مدار و تأخیر کم، برتری دارد. این امر آن را برای نمونه‌سازی اولیه و محاسبات بلادرنگ لبه، ایده‌آل می‌کند. این موقعیت به FPGA امکان می‌دهد تا کارایی توان بالاتر (نسبت به CPU/GPU) را برای الگوریتم‌های سفارشی فراهم کند.

هزینه ورود به دنیای FPGA

یکی از دلایلی که FPGA می‌تواند برای دانشجویان و مهندسان جذاب باشد، مدیریت هزینه‌های شروع به کار است. با وجود پیچیدگی فنی، دسترسی به ابزارهای یادگیری نسبتاً آسان و مقرون به صرفه است.

• نرم‌افزار (IDE): شرکت‌های بزرگ تولیدکننده FPGA نسخه‌های رایگان و دانشجویی از ابزارهای توسعه خود را ارائه می‌دهند. برای مثال، Xilinx Vivado WebPACK و Intel Quartus Prime Lite Edition به صورت رایگان ارائه می‌شوند. این ابزارها شامل سنتز، شبیه‌سازی و تولید فایل پیکربندی برای بردهای آموزشی بوده و برای پروژه‌های دانشجویی کافی است.
• بردهای توسعه (Development Boards): هزینه اصلی مربوط به خرید سخت‌افزار اولیه است.
• بردهای آموزشی (Introductory): بردهایی مانند Cmod A7 یا Basys 3 در محدوده قیمتی ۹۹ تا ۱۶۵ دلار در دسترس قرار دارند. این بردها مبتنی بر تراشه‌های کوچکتر (مانند Artix-7 یا Spartan-7) برای شروع یادگیری مناسب به نظر می‌آیند.
• بردهای پیشرفته‌تر: بردهایی مانند Nexys A7 یا Zybo Z7 (که یک SoC است و هسته ARM و FPGA را ترکیب می‌کند) با قیمتی بین ۲۹۹ تا ۳۹۹ دلار برای اجرای پروژه‌های پیچیده‌تر، گزینه‌های مناسبی می باشند.

این بردهای مقرون به صرفه، امکان یادگیری عملی FPGA و تجربه فرآیند کامل طراحی سخت‌افزار را بدون نیاز به سرمایه‌گذاری‌های سنگین اولیه، فراهم می‌آورند.

منابع معتبر برای یادگیری FPGA

برای تبدیل شدن به یک متخصص FPGA، باید بر منابع رسمی و تخصصی تمرکز کرد. این منابع باید به روز و معتبر باشند.

• وب‌سایت‌ها و مستندات رسمی سازندگان: مرجع اصلی و به‌روزترین اطلاعات، وب‌سایت‌های رسمی AMD Xilinx و Intel-Altera قلمداد می‌شوند. این شامل داکیومنت‌های فنی تراشه‌ها، راهنماهای کار با ابزارهای Vivado و Quartus Prime، و کتابخانه‌های IP-Intellectual Property است.
• کتب درسی آکادمیک: کتب مرجع در زمینه طراحی دیجیتال، مدارهای منطقی و معماری کامپیوتر، برای تقویت پایه‌های علمی ضروری می باشند.
• دوره‌های آنلاین و آموزش‌های HLS: دوره‌های تخصصی که فراتر از کدنویسی HDL، ابزارهای سنتز سطح بالا (HLS) را آموزش می‌دهند. برای مهندسانی که به دنبال آموزش‌های جامع و هدفمند می باشند، دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان یک گزینه مناسب است. این ابزارها با استفاده از زبان‌هایی مانند C++، سرعت توسعه طرح‌های پیچیده در حوزه‌های DSP و AI را افزایش می‌دهند.

جمع‌بندی

در این مقاله گفتیم که FPGA چیست و آن را به عنوان آرایه‌ای از گیت‌های قابل برنامه‌ریزی میدانی معرفی کردیم. تأکید کردیم که مزیت کلیدی FPGA، از معماری موازی واقعی آن ناشی می‌شود که زمان تأخیر سیستم‌های حیاتی را به حداقل می‌رساند. 

ما جایگاه FPGA را در اکوسیستم محاسباتی با مقایسه آن با CPU ،GPU و ASIC مشخص ساختیم. FPGA حد واسط ایده‌آل میان انعطاف‌پذیری نرم‌افزار و کارایی سخت‌افزار ناب است. نقش آن به عنوان یک ابزار حیاتی برای نمونه‌سازی اولیه در صنعت نیمه‌هادی و شتاب‌دهنده در حوزه‌هایی چون ۵G و هوش مصنوعی در دیتاسنترها برجسته گردید.

برای مهندسان سخت‌افزار، مسیر شغلی تخصصی و پردرآمد (مانند RTL Design و Verification Engineer) در این حوزه تشریح شد. بازار آن توسط AMD/Xilinx و Intel/Altera رهبری می‌شود. FPGA ابزاری است که به شما امکان می‌دهد مستقیماً با زبان سخت‌افزار سخن بگویید و کارایی را در سطح نهایی فیزیکی بهینه سازید. 

نویسنده: علی بهرام همدانی، کارشناس ارشد فرآیند