Τι είναι τα FPGA;

Εάν έχετε διαβάσει ποτέ την εξομοίωση ρετρό παιχνιδιών, μπορεί να έχετε συναντήσει έναν τύπο ημιαγωγών που ονομάζεται Συστοιχία Πυλών με δυνατότητα προγραμματισμού πεδίου (FPGA). Πρόκειται για ειδικά ολοκληρωμένα κυκλώματα που μπορούν να επαναδιαμορφωθούν μετά την κατασκευή τους χάρη στα ρυθμιζόμενα λογικά μπλοκ (CLB). Με άλλα λόγια, μπορείτε βασικά να επαναπρογραμματίσετε το chipset ώστε να λειτουργεί ως οποιοσδήποτε άλλος τύπος ψηφιακού κυκλώματος, το οποίο έχει πολλαπλές εφαρμογές σε AI, σχεδιασμό chipset και άλλα πεδία.

Τα FPGA έχουν πολλές θήκες χρήσης και συσκευές όπως το Analogue Pocket τις χρησιμοποιούν για να υποστηρίζουν διαφορετικές συσκευές χειρός. Ωστόσο, η Microsoft χρησιμοποιεί επίσης FPGA για την τροφοδοσία του Bing, καθώς επιτρέπει στην εταιρεία να τα επαναπρογραμματίζει γρήγορα για να υποστηρίζει νέους αλγόριθμους καθώς αναπτύσσονται.

FPGA έναντι παραδοσιακών CPU: Ποια είναι η διαφορά;

Σε αντίθεση με ένα τυπικό chipset — το Snapdragon 8 Gen 2, για παράδειγμα — ένα FPGA δεν έχει σχεδιαστεί για επαναπρογραμματισμό στο πεδίο. Είναι ένα System on Chip (SoC) που αποτελείται από πολλά μέρη, συμπεριλαμβανομένων GPU, NPU και CPU. Μόλις αποσταλεί, αυτό θα λάβουν οι καταναλωτές και οι επιχειρήσεις.

Ωστόσο, τα FPGA προορίζονται να είναι εύπλαστα, έτσι ώστε ο χρήστης να μπορεί να αλλάξει τμήματα του τσιπ χωρίς να εισάγει επιπλέον κόστος ή κινδύνους. Σε βιομηχανίες που κινούνται γρήγορα, όπως τα αυτόνομα αυτοκίνητα, νέοι κανονισμοί και πρότυπα μπορούν να εισαχθούν ανά πάσα στιγμή για οποιαδήποτε πτυχή της συσκευής. Η χρήση ενός FPGA μπορεί να επιτρέψει μια ενημέρωση OTA για τον επαναπρογραμματισμό του τσιπ για την υποστήριξη νέων προτύπων.

Μια μεγάλη διαφορά μεταξύ των FPGA και των παραδοσιακών CPU είναι ότι έχουν σχεδιαστεί για να επεξεργάζονται δεδομένα παράλληλα με μια αντιστάθμιση πολύ χαμηλότερης ταχύτητας ρολογιού. Για παράδειγμα, ένα FPGA με 10 αγωγούς για επεξεργασία δεδομένων μπορεί να εκτελέσει λειτουργίες πολλαπλασιασμού σε δύο αριθμούς για κάθε αγωγό, πολλαπλασιάζοντας 20 αριθμούς ανά κύκλο. Μια παραδοσιακή CPU μπορεί να πολλαπλασιάσει δύο αριθμούς ανά κύκλο, ανά πυρήνα και με διαδοχική σειρά.

Πώς λειτουργούν τα FPGA για εξομοίωση;

Τα FPGA χρησιμοποιούνται συχνά για εξομοίωση υλικού και ένα ενδιαφέρον μέρος της διαδικασίας σχεδιασμού chipset είναι η χρήση των FPGA για την εξομοίωση διαφορετικών τμημάτων του SoC κατά τη δοκιμή. Οι σχεδιαστές chipset μπορούν να χρησιμοποιήσουν πολλαπλά FPGA για να δημιουργήσουν ένα πρωτότυπο ολοκληρωμένο κύκλωμα ειδικής εφαρμογής (ASIC). Μια γλώσσα περιγραφής υλικού (HDL) χρησιμοποιείται για τη δημιουργία σχεδίου υλικού και αυτή η γλώσσα λέει στο FPGA πώς να τακτοποιηθεί. Στην περίπτωση του Analogue Pocket, αυτά τα σχέδια διανέμονται με τη μορφή "πυρήνων" που συνήθως γράφονται σε Verilog και οι χρήστες μπορούν να κατεβάσουν έναν πυρήνα για να προετοιμάσουν τη συσκευή χειρός για συγκεκριμένες κονσόλες.

Για παράδειγμα, το Analogue Pocket μπορεί να διαβάζει παιχνίδια Game Boy απευθείας στην υποδοχή του και να τα παίζει σαν να ήταν η αρχική κονσόλα. Όχι μόνο αυτό, αλλά οι προσαρμογείς κασετών προσθέτουν επιπλέον υποστήριξη και για άλλες συσκευές, όπως το Game Gear, το Atari Lynx και άλλα. Αυτό είναι δυνατό μόνο λόγω της επαναπρογραμματιζόμενης φύσης ενός FPGA που χρησιμοποιεί εξομοίωση υλικού αντί για εξομοίωση λογισμικού για να διασφαλίσει ότι τα παιχνίδια μπορούν να αναπαραχθούν. Ένα MiSTer (που χρησιμοποιεί μια πλακέτα DE-10 Nano FPGA ως βάση και απαιτεί πρόσθετες μονάδες πάνω της) είναι παρόμοιο στο ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξομοίωση κονσολών όπως το SNES, το Sega Genesis, ακόμη και το GameCube. Η εξομοίωση υλικού είναι γενικά πιο ακριβής από την εξομοίωση λογισμικού, ενώ προσφέρει επίσης οφέλη απόδοσης.

Ενώ το υλικό παλιώνει και μπορεί να γίνει αναξιόπιστο με την πάροδο του χρόνου, τα FPGA μπορούν απλώς να επαναπρογραμματιστούν για να μιμηθούν την ίδια εμπειρία υλικού.

Φυσικά, αυτό δεν σημαίνει ότι οι πυρήνες είναι μια τέλεια ερμηνεία ενός προς ένα HDL ενός chipset. Πλησιάζουν αρκετά, αλλά γίνονται διορθώσεις και βελτιώσεις στους πυρήνες με την πάροδο του χρόνου για να διορθωθούν προβλήματα που μπορεί να εντοπιστούν σε κανονική χρήση. Αυτοί οι πυρήνες κατασκευάζονται με αντίστροφη μηχανική των chipset που μπαίνουν σε αυτές τις συσκευές και απαιτούν χαρτογράφηση κάθε στοιχείου στη μητρική πλακέτα. Στα προσαρμοσμένα ιδιόκτητα chipset γίνεται ακόμα πιο δύσκολο, με τους προγραμματιστές να χρειάζονται συχνά να το δουν ένα "χωρίς καπάκι" τσιπ με μικροσκόπιο για να δείτε τι ακριβώς συμβαίνει μέσα στο τσιπ και να το αναπαραγάγετε.

Γι' αυτό τα FPGA είναι επίσης σημαντικά για τη διατήρηση του υλικού. Ενώ το υλικό παλιώνει και μπορεί να γίνει αναξιόπιστο με την πάροδο του χρόνου, τα FPGA μπορούν απλώς να επαναπρογραμματιστούν για να μιμηθούν την ίδια εμπειρία υλικού. Το τσιπ θα αναδιατάξει τη δική του φυσική λογική μέσα του για να ταιριάζει με όποιον πυρήνα του δίνεται. Το οικοσύστημα openFPGA έχει σχεδιαστεί για να βοηθά στη διατήρηση αυτού του υλικού.

Επιπλέον, έχετε το πρόσθετο πλεονέκτημα του να παίζετε αυτά τα παιχνίδια με εύλογο τρόπο, αλλά με καλύτερο συνολικό υλικό. Μπορείτε να παραλάβετε ένα Analogue Pocket για $220 και να παίξετε παιχνίδια Game Boy όπως θα κάνατε στο παρελθόν, αλλά με υψηλότερη ποιότητα κατασκευής, καλύτερη οθόνη και ακόμη και υποστήριξη βάσης.

Μειονεκτήματα των FPGA

Ωστόσο, υπάρχουν μερικά μειονεκτήματα. Για αρχή, καταλαμβάνουν πολύ περισσότερο χώρο από τις παραδοσιακές CPU και είναι επίσης σημαντικά πιο ακριβές στην παραγωγή τους. Συσκευές όπως το Analogue Pocket και το MiSTer FPGA κοστίζουν πολλά χρήματα, με το τελευταίο να σας επιστρέφει περισσότερα από 500 $ εάν παραλάβετε επίσης μερικά πρόσθετα. Οι περισσότεροι άνθρωποι απλώς θα προτιμούσαν να μιμούνται παιχνίδια στα smartphone ή στους υπολογιστές τους και δεν ενδιαφέρονται για την τέλεια ακρίβεια pixel που παρέχει η εξομοίωση σε επίπεδο υλικού.

Φυσικά, τα FPGA βρίσκονται επίσης σε κάποιο βαθμό στη βρεφική ηλικία που σχετίζονται με τους καταναλωτές, με τη δημοτικότητά τους να αυξάνεται μόλις τα τελευταία χρόνια. Στην πραγματικότητα υπάρχουν εδώ και πολύ καιρό σε περιπτώσεις επαγγελματικής χρήσης από επιστήμονες, αρχιτέκτονες chipset, τεχνητή νοημοσύνη και τα παρόμοια, αλλά Μόνο τα τελευταία χρόνια οι καταναλωτικές συσκευές έχουν εμφανιστεί και είναι βιώσιμες για χρήση με πιο χαλαρούς ή ενθουσιώδεις τρόπους.

Για τους περισσότερους ανθρώπους που θέλουν να μπουν στην εξομοίωση, η ευκολία μιας αποκλειστικής συσκευής που εγγυάται α Η αληθινή εμπειρία είναι δελεαστική, αλλά δεν είναι κάτι που χρειάζεται ή ενδιαφέρεται για όλους. Προσωπικά, αν θέλω να παίξω ένα παιχνίδι όπως το Super Mario Bros, είμαι στην ευχάριστη θέση να το παίξω στο τηλέφωνό μου εν κινήσει. Δεν χρειάζομαι μια ειδική συσκευή για αυτό, αλλά καταλαβαίνω την ελκυστικότητα της κατοχής μιας.