選擇FPGA時(shí)有哪些應(yīng)用注意事項(xiàng)？

現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 是功能強(qiáng)大且靈活的設(shè)備。它們將定制設(shè)計(jì)的性能與可重新編程性相結(jié)合，即使在系統(tǒng)進(jìn)入現(xiàn)場后也是如此。因此，F(xiàn)PGA 越來越多地用于各種系統(tǒng)，從火星探測器到戰(zhàn)斗機(jī)，從通信和汽車系統(tǒng)到越來越多的嵌入式應(yīng)用程序。在這個(gè)關(guān)于 FPGA 應(yīng)用機(jī)會的常見問題解答之后，將討論使用FPGA 如何影響設(shè)計(jì)過程，并簡要回顧 FPGA 系統(tǒng)集成問題。

本文將從研究用于各種最終使用系統(tǒng)的 FPGA 的兩個(gè)“通用”應(yīng)用開始；安全/加密用途和圖像處理。它將考慮在汽車、航空、醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)中使用 FPGA 的具體機(jī)會。推動 FPGA 采用的因素之一是嵌入式應(yīng)用專用內(nèi)核的可用性不斷提高。對于下面討論的大多數(shù)應(yīng)用程序，預(yù)定義的內(nèi)核已經(jīng)存在。示例包括加密 IP 內(nèi)核、DSP 內(nèi)核、圖像處理內(nèi)核、通信（和軟件定義無線電）內(nèi)核、5G/MIMO 內(nèi)核、電力線通信內(nèi)核、工業(yè)和汽車以太網(wǎng)內(nèi)核等。

使用 FPGA 時(shí)，安全性可能是一個(gè)復(fù)雜的問題。它由特定于 FPGA 的安全問題和與應(yīng)用程序相關(guān)的問題的組合組成。首先，代工廠的知識產(chǎn)權(quán) (IP) 盜竊通常是定制 IC 的一個(gè)嚴(yán)重問題。FPGA 解決了這個(gè)問題，因?yàn)槊舾?IP 通常在交付之前不會加載到 FPGA 中。此外，F(xiàn)PGA 可以使用比特流加密來保護(hù)已加載到 FPGA 或外部存儲器上的 IP。但還需要做更多工作來確保 FPGA 和終端應(yīng)用程序的安全。

FPGA 在一系列軍事、汽車、工業(yè)和通信系統(tǒng)中提供可重編程性和高能效的高性能電機(jī)控制、傳感器輸入、信號處理、安全通信等。（圖片：賽靈思）

加密 FPGA

基于軟件的加密協(xié)議是許多安全功能的基礎(chǔ)。有一種趨勢是用直接嵌入硬件的安全解決方案取代這些基于軟件的方法，尤其是對于關(guān)鍵系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用程序?；谲浖陌踩缘膹?fù)雜性是有問題的，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)大的“攻擊面”，不容易抵御堅(jiān)定的入侵者。

使用基于 FPGA 的基于硬件的安全應(yīng)用程序可以解決現(xiàn)有的基于軟件的實(shí)施方案的許多缺點(diǎn)。FPGA 固有的可編程性，即使在它們被送往現(xiàn)場后，也能根據(jù)需要高效地執(zhí)行持續(xù)的錯(cuò)誤修復(fù)和安全更新。

此外，加密應(yīng)用程序需要大量運(yùn)算，這使它們成為使用 FPGA 的好地方。密碼算法中使用的變換和排列可以以低開銷和良好的性能編程到 FPGA 中。FPGA 上的加密操作可以并行執(zhí)行，以進(jìn)一步提高性能。

用于 MD5e、SHA-2 和其他加密功能的基于 FPGA 的內(nèi)核受益于執(zhí)行位級操作的能力。公鑰系統(tǒng)和入侵檢測功能已使用 FPGA 構(gòu)建。各種加密和安全應(yīng)用程序利用了 FPGA 支持的固有速度和靈活性。

使用 FPGA 進(jìn)行圖像處理

在實(shí)時(shí)圖像處理應(yīng)用中，F(xiàn)PGA 帶來了低延遲和高能效的優(yōu)勢。例如，帶有嵌入式 FPGA 的智能相機(jī)可以在從傳感器流式傳輸圖像時(shí)實(shí)時(shí)執(zhí)行圖像處理。相機(jī)提供經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)流，而不是一系列圖像。FPGA 固有的并行性可以處理圖像處理中固有的空間內(nèi)容（數(shù)據(jù)級別）和時(shí)間內(nèi)容（任務(wù)級別）。

為獲得最佳性能，需要專門針對 FPGA 圖像處理優(yōu)化軟件。現(xiàn)有的圖像處理算法通常針對串行處理器進(jìn)行了優(yōu)化，無法利用 FPGA 固有的并行功能。

FPGA 可以使智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析圖像并識別潛在的可疑活動。這樣的系統(tǒng)可以使用一系列 IP 內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)：用于處理視頻的圖像處理內(nèi)核；用于分析圖像數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)視覺核心；以及一個(gè)基于加密的通信核心，用于將數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)中央位置，在那里可以由人工操作員進(jìn)一步分析和采取行動。

FPGA可用于實(shí)現(xiàn)一系列圖像處理功能，包括過濾、分割、壓縮、聚類等。應(yīng)用范圍廣泛，包括自動駕駛汽車、交通標(biāo)志識別、醫(yī)療系統(tǒng)中的組織圖像分析、機(jī)器人和智能視覺系統(tǒng)、視頻壓縮和加密等。

FPGA 人工智能和圖像處理

FPGA 不僅可以用于圖像處理，而且越來越多地用于各種人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 應(yīng)用程序。圖像處理只是 FPGA 應(yīng)用于 AI 的一個(gè)例子。它們?yōu)樯疃葘W(xué)習(xí)和機(jī)器視覺系統(tǒng)帶來了高性能、靈活性和可擴(kuò)展性。

作為軟件定義的設(shè)備，F(xiàn)PGA 可以在不更改任何硬件的情況下提供持續(xù)的性能優(yōu)化。與其他設(shè)備相比，F(xiàn)PGA 可以更新到最新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從而提高其“智能”。

當(dāng)用于深度學(xué)習(xí)推理時(shí)，F(xiàn)PGA 可以以低且一致的功耗快速處理大量信息。它們還可以在各種應(yīng)用程序中提供低延遲，包括機(jī)器視覺和激光雷達(dá)，并且本質(zhì)上是面向未來的，并且能夠通過相對簡單的現(xiàn)場升級來支持新的流程和應(yīng)用程序。

ADAS 和 FPGA

除了機(jī)器視覺和激光雷達(dá)之外，典型的 ADAS 設(shè)計(jì)還包括用于速度、制動、車道檢測、交通信號識別等的復(fù)雜傳感器網(wǎng)絡(luò)。FPGA 的處理靈活性和速度可以處理大量傳感器和其他輸入，用于運(yùn)動估計(jì)、對象識別和圖像增強(qiáng)，并執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟僮?。重要的是，傳感器和圖像處理功能可用作硬件內(nèi)核或軟件內(nèi)核。這加快了上市時(shí)間并增強(qiáng)了功能。

多家供應(yīng)商提供 AEC-Q100 汽車級 FPGA。（圖片：高云半導(dǎo)體）

與數(shù)字信號處理相比，F(xiàn)PGA 在 ADAS 應(yīng)用中具有重要優(yōu)勢；通過支持并行處理，F(xiàn)PGA 可以更快地響應(yīng)潛在的危險(xiǎn)和不斷變化的條件。當(dāng)用于 ADAS 等多輸入和輸出系統(tǒng)的復(fù)雜處理時(shí)，F(xiàn)PGA 的功耗通常與專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP) 相當(dāng)或更低。

未來的自動駕駛汽車將依賴車輛之間的實(shí)時(shí)通信。FPGA 有望在這些和其他通信應(yīng)用中發(fā)揮作用。

軟件無線電和 FPGA

高級軟件無線電 (SDR) 應(yīng)用受益于 FPGA 和數(shù)字信號處理器 (DSP) 的組合。在 SDR 中，DSP 可以在 FPGA 外部，但通常作為功能塊或內(nèi)核嵌入到 FPGA 中。SDR 技術(shù)支持用于寬帶、超寬帶和復(fù)雜 MIMO 天線配置的新興無線協(xié)議，包括新興的 5G 系統(tǒng)。FPGA 用于將高速外圍設(shè)備（如寬帶 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字接收器和通信鏈路）實(shí)時(shí)連接到可編程處理器。

FPGA 還非常適合各種定時(shí)功能，例如 SDR 所需的同步。串并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)打包、多路復(fù)用、數(shù)據(jù)包形成和時(shí)間戳等數(shù)據(jù)格式化功能可使用 FPGA 高效執(zhí)行。

低功耗 SDR 設(shè)計(jì)也可以使用 FPGA 實(shí)現(xiàn)。憑借嵌入式 DSP 內(nèi)核、并行邏輯處理和內(nèi)存內(nèi)核，F(xiàn)PGA 可以支持低功耗便攜式和電池供電 SDR 中的高級寬帶通信，用于軍事、公共安全和商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)。

雖然它們是低功耗的，但 FPGA SDR 可以是高性能的，并且包括：高級寬帶波形，例如 OAM 和 OFDM 調(diào)制協(xié)議；嵌入式加密和解密邏輯提供靈活和現(xiàn)場可升級的高級加密引擎；高速無線數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器；以及多個(gè) SDR IP 內(nèi)核，包括數(shù)據(jù)包處理器和應(yīng)用層處理器。

從航空到醫(yī)療系統(tǒng)

軍用和商用航空設(shè)備通常使用商用現(xiàn)成 (COTS) FPGA 來節(jié)省時(shí)間和成本，同時(shí)提供高可靠性。在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，最大限度地減輕重量是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素，而且為每個(gè)功能配備一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備通常是不切實(shí)際的。在多個(gè)模塊之間分配功能可以提供容錯(cuò)并提高可靠性。對于軍用飛機(jī)，相對不敏感的維護(hù)和其他數(shù)據(jù)由同一個(gè)子系統(tǒng)處理，這些數(shù)據(jù)與目標(biāo)信息等更敏感的數(shù)據(jù)相同。在 FPGA 中分配功能和提供邏輯模塊分離的能力是一種常見的做法。它在提供一定程度的容錯(cuò)的同時(shí)保護(hù)敏感數(shù)據(jù)。

FPGA 用于各種醫(yī)療應(yīng)用，包括診斷成像、電子醫(yī)療、超聲波等。（圖片：英特爾）

醫(yī)療設(shè)備、汽車系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備的制造商也可以從 FPGA 的靈活性、成本效益和減少過時(shí)的優(yōu)勢中獲益。FPGA 在這些和其他系統(tǒng)中的優(yōu)勢包括：

• 與定制 ASIC 相比，使用 FPGA 避免了非經(jīng)常性工程費(fèi)用和最低訂購要求

• 與 ASIC 開發(fā)周期相比，上市時(shí)間更快且風(fēng)險(xiǎn)更低

• 集成專用 IP 或硬件內(nèi)核的能力可以進(jìn)一步降低成本和產(chǎn)品差異化

• 系統(tǒng)可以適應(yīng)多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議，并可以隨著這些標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的發(fā)展而更新

• 系統(tǒng)和功能可以在設(shè)計(jì)過程中和設(shè)備進(jìn)入現(xiàn)場后重新編程。

工業(yè)以太網(wǎng)和 FPGA

使用 FPGA 實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng) POWERLINK 協(xié)議可用于增強(qiáng)工業(yè)自動化系統(tǒng)。POWERLINK 是由以太網(wǎng) POWERLINK 標(biāo)準(zhǔn)化組織 (EPSG) 管理的開源協(xié)議。POWERLINK 可以純粹在軟件中實(shí)現(xiàn)，但時(shí)間緊迫的任務(wù)可以轉(zhuǎn)移到專用硬件（如 FPGA）以達(dá)到最佳性能。

使用 FPGA 實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng) POWERLINK 協(xié)議可以以低成本提供系統(tǒng)靈活性和高性能。使用 FPGA，有多種方案可用于實(shí)施協(xié)議?；具x擇包括將應(yīng)用處理器嵌入到 FPGA 中的單芯片解決方案的可能性，或者處理器可以是外部的，從而提供更高性能的可能性。還可以在 FPGA 中嵌入額外的功能，例如電機(jī)控制器或可編程邏輯控制器，進(jìn)一步降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

FPGA 可以針對各種應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，并有助于提高系統(tǒng)性能和降低成本。但是使用這些復(fù)雜的設(shè)備會對設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生重大影響。本系列的下一個(gè)（第三個(gè)）常見問題解答將探討FPGA 如何影響設(shè)計(jì)過程。第四個(gè)也是最后一個(gè)常見問題解答將深入探討FPGA 的系統(tǒng)集成挑戰(zhàn)。