Helu mọi người, Hòa trong không khí Mayfest năm nay, mình xin phép làm bài nho nhỏ về 1 mảng mới chưa từng xuất hiện trên Viblo, đó là FPGA.

Vậy FPGA là gì?

FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) là các mạch tích hợp mạnh mẽ cung cấp sự linh hoạt và đa dạng trong thiết kế phần cứng số. FPGA được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành và ứng dụng, bao gồm viễn thông, ô tô, hàng không vũ trụ, điện tử tiêu dùng và nhiều hơn nữa. Bài viết này giới thiệu tổng quan về công nghệ FPGA, những lợi ích của nó và các ứng dụng phổ biến.

FPGA được tạo thành từ một lưới các khối logic lập trình và các kết nối có thể lập trình. Các khối logic này có thể được cấu hình để thực hiện các chức năng logic khác nhau như AND, OR và XOR, cho phép người thiết kế tạo ra mạch số tùy chỉnh. Các kết nối cho phép kết nối các khối logic này với nhau theo các cấu hình khác nhau, cho phép tạo ra các thiết kế số phức tạp.

Một trong những ưu điểm chính của FPGA là khả năng tái cấu hình. Khác với mạch tích hợp ứng dụng cụ thể (ASIC) được dây chuyền sản xuất cho một chức năng cụ thể, FPGA có thể được lập trình nhiều lần để triển khai các thiết kế khác nhau. Điều này giúp FPGA linh hoạt và phù hợp cho việc tạo mẫu, phát triển và lặp nhanh các hệ thống số.

Lợi ích như thế nào

FPGA mang lại nhiều lợi ích, bao gồm:

• Linh hoạt: FPGA cho phép người thiết kế tạo ra các thiết kế phần cứng số tùy chỉnh để đáp ứng các yêu cầu cụ thể. Chúng có thể triển khai các chức năng, thuật toán và giao thức phức tạp trong một thiết bị duy nhất.
• Hiệu năng: FPGA có thể cung cấp hiệu năng cao nhờ khả năng xử lý song song. Chúng có thể xử lý nhiều nhiệm vụ cùng một lúc, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu xử lý thời gian thực và độ trễ thấp.
• Tối ưu thời gian ra thị trường: FPGA giúp rút ngắn thời gian ra thị trường vì cho phép người thiết kế triển khai và kiểm tra ý tưởng nhanh chóng. Chúng có chu kỳ phát triển ngắn hơn so với ASIC vì không cần gia công phức tạp.
• Hiệu quả chi phí: FPGA có thể mang lại lợi ích về chi phí cho sản xuất ở số lượng sản xuất thấp đến trung bình. Chúng loại bỏ nhu cầu về các khuôn mẫu chế tạo, giảm chi phí ban đầu liên quan đến sản xuất chip tùy chỉnh.

Ứng dụng

FPGA có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Một số ứng dụng phổ biến bao gồm:

• Xử lý tín hiệu số: FPGA rất phù hợp để triển khai các thuật toán xử lý tín hiệu như xử lý hình ảnh, xử lý âm thanh và giao thức truyền thông như Wi-Fi và 5G.
• Hệ thống nhúng: FPGA có thể được sử dụng như một nền tảng phần cứng linh hoạt cho các hệ thống nhúng, kết hợp vi xử lý hoặc bộ điều khiển nhúng với các trình tăng tốc phần cứng tùy chỉnh.
• Tạo mẫu và xác minh: FPGA được sử dụng rộng rãi để tạo mẫu và xác minh các hệ thống số phức tạp trước khi hoàn thiện thiết kế cho sản xuất. Chúng cho phép kiểm tra và xác minh nhanh chóng các thiết kế.
• Trading: FPGA được sử dụng trong các hệ thống giao dịch tần số cao, nơi độ trễ thấp và hiệu năng cao là quan trọng để thực hiện giao dịch nhanh chóng và hiệu quả.
• Hàng không vũ trụ và quốc phòng: FPGA được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng như hệ thống radar, truyền thông vệ tinh, mật mã hóa và chiến thuật điện tử.

Một vài khía cạnh khác

• Partial Reconfiguration: Một trong những tính năng đáng chú ý của FPGA là khả năng tái cấu hình phần tử (partial reconfiguration). Điều này cho phép chỉ tái cấu hình một phần của FPGA trong khi hệ thống vẫn đang hoạt động. Khả năng tái cấu hình phần tử cho phép thay đổi chức năng của một phần nhỏ trong thiết kế mà không làm gián đoạn hoạt động của toàn bộ hệ thống. Điều này có lợi ích đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao và khả năng nâng cấp linh hoạt.
• Công cụ phát triển và ngôn ngữ lập trình: Các nhà sản xuất FPGA cung cấp các công cụ phát triển tích hợp (Integrated Development Environment - IDE) và ngôn ngữ lập trình đặc biệt để hỗ trợ việc thiết kế và triển khai trên FPGA. Vivado của Xilinx và Quartus của Intel (trước đây là Altera) là hai IDE phổ biến được sử dụng trong ngành công nghiệp FPGA. Ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất cho FPGA là Hardware Description Language (HDL) như Verilog và VHDL.
• Tích hợp SoC và FPGA: Những phiên bản FPGA hiện đại cũng thường kết hợp với các vi xử lý (processor) như ARM để tạo thành hệ thống trên một chip (System on Chip - SoC). Việc kết hợp SoC và FPGA trên cùng một chip giúp tăng khả năng xử lý, linh hoạt và hiệu quả cho các ứng dụng phức tạp.

Tóm lại

FPGA là các thiết bị mạnh mẽ và linh hoạt cho phép triển khai các thiết kế phần cứng số tùy chỉnh. Khả năng tái cấu hình, hiệu năng và ứng dụng rộng rãi khiến FPGA trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp. Cho dù là để tạo mẫu, tính toán hiệu năng cao hoặc hệ thống nhúng, FPGA mang đến một giải pháp hấp dẫn và linh hoạt cho các ứng dụng phần cứng số.

PS: Bonus vài hình ảnh của các board FPGA từ đơn giản đến phức tạp hiện nay