מה זה FPGA ומה השוני מASIC?

FPGA) Field Programmable Gate Array) הוא רכיב אלקטרוני גמיש ורב-תכליתי ששינה את פני עולם האלקטרוניקה בעשורים האחרונים. FPGA מורכב ממערכי שערים לוגיים הניתנים לתכנות מחדש ולחיבור מחודש, מה שמאפשר שלל שימושים והתאמות למטרות שונות. בניגוד ל-ASIC שהוא רכיב מיועד למטרה ספציפית ויחידה, ה-FPGA נותן מענה למגוון רחב יותר של יישומים.

מאמר זה יעסוק בהרחבה ב-FPGA - החל מאופן פעולתו הטכני, דרך התפתחותו ההיסטורית וכלה בדוגמאות ומקרי בוחן לשימוש בו בתעשיות שונות כמו תקשורת, רפואה, ביטחון ועוד. בנוסף נשווה בקצרה את ה-FPGA לטכנולוגיית ה-ASIC על מנת להדגיש את יתרונותיו היחסיים של הראשון.‏

FPGA הוא רכיב אלקטרוני המאפשר תכנות מחדש של החומרה. ה FPGA מורכב ממערכי שערים לוגיים אשר ניתן לתכנת אותם מחדש ולחבר אותם יחד בצורות שונות על מנת ליצור רכיבי חומרה שממלאים מטרות שונות.
 FPGA מסמל "Field-Programmable Gate Array" (מערך שערים נתכנת שדה). זהו סוג של מעגל משולב (IC)  שאפשר לתכנת אותו לאחר ייצורו כדי לבצע מגוון רחב של פעולות. בניגוד למעבדים רגילים שיש להם ארכיטקטורה קבועה ופונקציות מוגדרות, FPGA ניתן לתכנת מחדש כדי לבצע משימות ספציפיות.

ה-FPGA מורכב מבלוקים לוגיים, שערים לוגיים, ומטריצות של קווי חיבורים שניתן להתאים אותם לפי צורך. זה מאפשר למעצבים ולמהנדסים ליצור מעגלים ייעודיים עבור משימות מסוימות, כגון עיבוד תמונה, קריפטוגרפיה, או קריאת נתונים מחיישנים.

היתרון העיקרי של FPGA הוא הגמישות שלו. אפשר לשנות את תכנותו גם לאחר ההתקנה שלו במערכת, מה שמאפשר למעצבים לשנות ולהתאים את המערכת בלי לצורך להחליף את החומרה. זה גם מועיל בתחום המחקר והפיתוח, כיוון שה-FPGA מאפשר בדיקה ושינוי של רעיונות בצורה יעילה ומהירה.

אופן הפעולה של FPGA

תכנות ה-FPGA נעשה באמצעות שפות תיאור חומרה כגון VHDL או Verilog. המתכנת כותב קוד המתאר את הרכיב הלוגי אותו הוא רוצה ליצור. קוד זה עובר הידור (compilation) לקובץ שנקרא נתיב (bitstream), אשר נטען לתוך ה-FPGA ומתכנת אותו. הנתיב מגדיר כיצד כל שער לוגי ורכיב ב- FPGA יחובר לשערים ורכיבים אחרים.

מתי משתמשים בטכנולוגיות ה-FPGA

עיבוד אותות ותקשורת - מערכות טלקום, רשתות אלחוטיות ועוד. היכולת לשנות את התוכנה מאפשרת שדרוג והתאמה לתקנים ופרוטוקולים חדשים.

מערכות בקרה ומדידה - בקרת מנועים, בקרת רובוטים, מכשור רפואי.

עיבוד תמונה ווידאו - מצלמות, סורקים רפואיים ועוד.

חישוב מקבילי בביצועים גבוהים - עיבוד נתוני Big Data, כריית מטבעות דיגיטליות ועוד.

אבטיפוס מהיר של מוצרים חדשים.

דוגמאות למוצרים מבוססי FPGA

• כרטיסי רשת וניתוב תקשורת של חברות כמו Cisco ו-Juniper.
• מערכות לומדה אוטונומיות של NVIDIA.
• ציוד בקרה ואוטומציה של מפעלים.
• מכשירי אולטרה-סאונד רפואיים.
• ציוד לכריית ביטקוין.

ASIC הוא רכיב משולב ספציפי ליישום - כלומר נבנה למטרה ספציפית אחת. שערים לוגיים וטרנזיסטורים מאוחים יחדיו בשבב סיליקון בודד על מנת ליצור רכיב מותאם באופן אופטימלי למוצר או יישום מסוים.

אופן הפעולה של ASIC

תהליך תכנון וייצור של ASIC כולל תכנון המעגל הלוגי, תכנון פיזי של השבב עצמו, ייצור מסכות ליתוגרפיה המגדירות את הטרנזיסטורים וחיווט, ייצור פוטוליתוגרפי של שכבות השבב, הרכבת השבב ואריזה. על מנת לתכנן ASIC יש צורך בידע רב בתחומי חומרה ותוכנה.

יתרונות ושימושים של ASIC

1. ביצועים גבוהים בהרבה מפתרונות תוכנה - ASIC מאופיין במהירות עיבוד נתונים גבוהה וצריכת הספק נמוכה.
2. עלות נמוכה - העלות ליחידה בייצור המוני של ASIC נמוכה מאוד.
3. שטח קטן וצריכת הספק נמוכה - מתאים למוצרים ניידים.
4. אמינות ובטיחות - האתגר ב-ASIC הוא ניצול מרבי של החומרה ללא שגיאות.

דוגמאות למוצרי צריכה מבוססי ASIC

• טלפונים חכמים.
• שעונים חכמים.
• מוצרי אלקטרוניקה ביתיים.
• מצלמות.
• אביזרי רכב.

• ניתן לשנות את התוכנה ב-FPGA - ב-ASIC התוכנה "מתוכנתת" בחומרה ולא ניתן לשנותה לאחר הייצור.
• FPGA מאפשר יותר גמישות ושינויים בעיצוב - ASIC מספק ביצועים טובים יותר.
• עלות הייצור של FPGA גבוהה יותר מעלות הייצור של ASIC בכמויות גדולות.
• זמן הפיתוח של FPGA קצר יותר מזמן הפיתוח של ASIC.
• FPGA מאפשר פרוטוטיפינג מהיר יותר של עיצובים.

השוואה בין FPGA ל-ASIC

בקיצור, FPGA מספק גמישות רבה יותר בעוד ASIC מאופיין בביצועים גבוהים יותר. בחירת הטכנולוגיה תלויה בדרישות הספציפיות של הפרויקט.

לסיכום,

FPGA ו-ASIC הן שתי טכנולוגיות חומרה שונות עם יתרונות וחסרונות הייחודים לכל אחת מהן, אשר מתאימות ליישומים שונים. ASIC מתאפיין בביצועים גבוהים במיוחד, בצריכת הספק נמוכה ובעלויות ייצור נמוכות ליחידה, אך מאידך הוא חסר גמישות וקשה לשנותו לאחר הייצור. FPGA לעומת זאת, מצטיין בגמישות רבה, בזמני פיתוח קצרים יותר וביכולות פיתוח מהיר של אבות טיפוס. הבחירה בטכנולוגיה המתאימה תלויה בדרישות ובמגבלות של המוצר או המערכת הספציפיים המפותחים. שילוב של שתי הטכנולוגיות יחד יכול לתת מענה לפרויקטים מורכבים הדורשים היבטים של שתיהן.

לסיכום, FPGA ו-ASIC הם שני פתרונות חומרה שונים עם מאפייני חוזק וחולשה שמתאימים ליישומים שונים. ASIC מצטיין בביצועים גבוהים, FPGA מצטי

• קורס סייבר ואבטחת מידע
• קורס Full Stack
• קורס בניית אתרים
• קורס למידת מכונה
• קורס דאטה סיינס
• קורס דאטה אנליסט
• קורס DEVOPS
• קורס IT
• קורס אוטומציה
• קורס Real Time Embedded