選擇FPGA時(shí)有哪些應用注意事項？

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 是功能強大且靈活的設備。它們將定制設計的性能與可重新編程性相結合，即使在系統進(jìn)入現場(chǎng)后也是如此。因此，FPGA 越來(lái)越多地用于各種系統，從火星探測器到戰斗機，從通信和汽車(chē)系統到越來(lái)越多的嵌入式應用程序。在這個(gè)關(guān)于 FPGA 應用機會(huì )的常見(jiàn)問(wèn)題解答之后，將討論使用FPGA 如何影響設計過(guò)程，并簡(jiǎn)要回顧 FPGA 系統集成問(wèn)題。

本文將從研究用于各種最終使用系統的 FPGA 的兩個(gè)“通用”應用開(kāi)始；安全/加密用途和圖像處理。它將考慮在汽車(chē)、航空、醫療和工業(yè)系統中使用 FPGA 的具體機會(huì )。推動(dòng) FPGA 采用的因素之一是嵌入式應用專(zhuān)用內核的可用性不斷提高。對于下面討論的大多數應用程序，預定義的內核已經(jīng)存在。示例包括加密 IP 內核、DSP 內核、圖像處理內核、通信（和軟件定義無(wú)線(xiàn)電）內核、5G/MIMO 內核、電力線(xiàn)通信內核、工業(yè)和汽車(chē)以太網(wǎng)內核等。

使用 FPGA 時(shí)，安全性可能是一個(gè)復雜的問(wèn)題。它由特定于 FPGA 的安全問(wèn)題和與應用程序相關(guān)的問(wèn)題的組合組成。首先，代工廠(chǎng)的知識產(chǎn)權 (IP) 盜竊通常是定制 IC 的一個(gè)嚴重問(wèn)題。FPGA 解決了這個(gè)問(wèn)題，因為敏感 IP 通常在交付之前不會(huì )加載到 FPGA 中。此外，FPGA 可以使用比特流加密來(lái)保護已加載到 FPGA 或外部存儲器上的 IP。但還需要做更多工作來(lái)確保 FPGA 和終端應用程序的安全。

FPGA 在一系列軍事、汽車(chē)、工業(yè)和通信系統中提供可重編程性和高能效的高性能電機控制、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。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)鍵系統和嵌入式應用程序?；谲浖陌踩缘膹碗s性是有問(wèn)題的，因為它提供了一個(gè)大的“攻擊面”，不容易抵御堅定的入侵者。

使用基于 FPGA 的基于硬件的安全應用程序可以解決現有的基于軟件的實(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場(chǎng)后，也能根據需要高效地執行持續的錯誤修復和安全更新。

此外，加密應用程序需要大量運算，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(kāi)銷(xiāo)和良好的性能編程到 FPGA 中。FPGA 上的加密操作可以并行執行，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 的內核受益于執行位級操作的能力。公鑰系統和入侵檢測功能已使用 FPGA 構建。各種加密和安全應用程序利用了 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)圖像處理應用中，FPGA 帶來(lái)了低延遲和高能效的優(yōu)勢。例如，帶有嵌入式 FPGA 的智能相機可以在從傳感器流式傳輸圖像時(shí)實(shí)時(shí)執行圖像處理。相機提供經(jīng)過(guò)處理的數據流，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容（數據級別）和時(shí)間內容（任務(wù)級別）。

為獲得最佳性能，需要專(zhuān)門(mén)針對 FPGA 圖像處理優(yōu)化軟件?，F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(wú)法利用 FPGA 固有的并行功能。

FPGA 可以使智能視頻監控系統實(shí)時(shí)分析圖像并識別潛在的可疑活動(dòng)。這樣的系統可以使用一系列 IP 內核來(lái)實(shí)現：用于處理視頻的圖像處理內核；用于分析圖像數據的計算機視覺(jué)核心；以及一個(gè)基于加密的通信核心，用于將數據發(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(dòng)。

FPGA可用于實(shí)現一系列圖像處理功能，包括過(guò)濾、分割、壓縮、聚類(lèi)等。應用范圍廣泛，包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)、交通標志識別、醫療系統中的組織圖像分析、機器人和智能視覺(jué)系統、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(lái)越多地用于各種人工智能 (AI) 和機器學(xué)習 (ML) 應用程序。圖像處理只是 FPGA 應用于 AI 的一個(gè)例子。它們?yōu)樯疃葘W(xué)習和機器視覺(jué)系統帶來(lái)了高性能、靈活性和可擴展性。

作為軟件定義的設備，FPGA 可以在不更改任何硬件的情況下提供持續的性能優(yōu)化。與其他設備相比，FPGA 可以更新到最新的機器學(xué)習算法，從而提高其“智能”。

當用于深度學(xué)習推理時(shí)，FPGA 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用程序中提供低延遲，包括機器視覺(jué)和激光雷達，并且本質(zhì)上是面向未來(lái)的，并且能夠通過(guò)相對簡(jiǎn)單的現場(chǎng)升級來(lái)支持新的流程和應用程序。

ADAS 和 FPGA

除了機器視覺(jué)和激光雷達之外，典型的 ADAS 設計還包括用于速度、制動(dòng)、車(chē)道檢測、交通信號識別等的復雜傳感器網(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，用于運動(dòng)估計、對象識別和圖像增強，并執行適當的操作。重要的是，傳感器和圖像處理功能可用作硬件內核或軟件內核。這加快了上市時(shí)間并增強了功能。

多家供應商提供 AEC-Q100 汽車(chē)級 FPGA。（圖片：高云半導體）

與數字信號處理相比，FPGA 在 ADAS 應用中具有重要優(yōu)勢；通過(guò)支持并行處理，FPGA 可以更快地響應潛在的危險和不斷變化的條件。當用于 ADAS 等多輸入和輸出系統的復雜處理時(shí)，FPGA 的功耗通常與專(zhuān)用標準產(chǎn)品 (ASSP) 相當或更低。

未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)將依賴(lài)車(chē)輛之間的實(shí)時(shí)通信。FPGA 有望在這些和其他通信應用中發(fā)揮作用。

軟件無(wú)線(xiàn)電和 FPGA

高級軟件無(wú)線(xiàn)電 (SDR) 應用受益于 FPGA 和數字信號處理器 (DSP) 的組合。在 SDR 中，DSP 可以在 FPGA 外部，但通常作為功能塊或內核嵌入到 FPGA 中。SDR 技術(shù)支持用于寬帶、超寬帶和復雜 MIMO 天線(xiàn)配置的新興無(wú)線(xiàn)協(xié)議，包括新興的 5G 系統。FPGA 用于將高速外圍設備（如寬帶 A/D 和 D/A 轉換器、數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。串并轉換、數據打包、多路復用、數據包形成和時(shí)間戳等數據格式化功能可使用 FPGA 高效執行。

低功耗 SDR 設計也可以使用 FPGA 實(shí)現。憑借嵌入式 DSP 內核、并行邏輯處理和內存內核，FPGA 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(wú)線(xiàn)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 調制協(xié)議；嵌入式加密和解密邏輯提供靈活和現場(chǎng)可升級的高級加密引擎；高速無(wú)線(xiàn)數據調制解調器；以及多個(gè) SDR IP 內核，包括數據包處理器和應用層處理器。

從航空到醫療系統

軍用和商用航空設備通常使用商用現成 (COTS) FPGA 來(lái)節省時(shí)間和成本，同時(shí)提供高可靠性。在飛機設計中，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)單獨的設備通常是不切實(shí)際的。在多個(gè)模塊之間分配功能可以提供容錯并提高可靠性。對于軍用飛機，相對不敏感的維護和其他數據由同一個(gè)子系統處理，這些數據與目標信息等更敏感的數據相同。在 FPGA 中分配功能和提供邏輯模塊分離的能力是一種常見(jiàn)的做法。它在提供一定程度的容錯的同時(shí)保護敏感數據。

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

醫療設備、汽車(chē)系統和工業(yè)設備的制造商也可以從 FPGA 的靈活性、成本效益和減少過(guò)時(shí)的優(yōu)勢中獲益。FPGA 在這些和其他系統中的優(yōu)勢包括：

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

• 與 ASIC 開(kāi)發(fā)周期相比，上市時(shí)間更快且風(fēng)險更低

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

• 系統可以適應多種行業(yè)標準或協(xié)議，并可以隨著(zhù)這些標準和協(xié)議的發(fā)展而更新

• 系統和功能可以在設計過(guò)程中和設備進(jìn)入現場(chǎng)后重新編程。

工業(yè)以太網(wǎng)和 FPGA

使用 FPGA 實(shí)現的以太網(wǎng) POWERLINK 協(xié)議可用于增強工業(yè)自動(dòng)化系統。POWERLINK 是由以太網(wǎng) POWERLINK 標準化組織 (EPSG) 管理的開(kāi)源協(xié)議。POWERLINK 可以純粹在軟件中實(shí)現，但時(shí)間緊迫的任務(wù)可以轉移到專(zhuān)用硬件（如 FPGA）以達到最佳性能。

使用 FPGA 實(shí)現以太網(wǎng) POWERLINK 協(xié)議可以以低成本提供系統靈活性和高性能。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，例如電機控制器或可編程邏輯控制器，進(jìn)一步降低系統復雜性和成本。

FPGA 可以針對各種應用進(jìn)行優(yōu)化，并有助于提高系統性能和降低成本。但是使用這些復雜的設備會(huì )對設計過(guò)程產(chǎn)生重大影響。本系列的下一個(gè)（第三個(gè)）常見(jiàn)問(wèn)題解答將探討FPGA 如何影響設計過(guò)程。第四個(gè)也是最后一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題解答將深入探討FPGA 的系統集成挑戰。