O que é FPGA (Field programmable gate array)?

Um ASIC é desenvolvido e otimizado para uma aplicação específica e não pode ser reconfigurado.

Seus elementos do circuito interno (transistores) são dispostos em uma estrutura fixa com uma interconexão (fiação) fixa e imutável entre eles.   

Como um ASIC serve para apenas uma finalidade, incorpora apenas os elementos lógicos necessários para essa finalidade, por exemplo, se um multiplicador de ponto flutuante não for necessário, ele não será incorporado ao design. 

Por outro lado, um FPGA pode ser configurado e reconfigurado para qualquer aplicação possível.

Da mesma forma que um ASIC, seus elementos de circuito interno são organizados em uma estrutura fixa (blocos lógicos programáveis ou PLBs), mas com interconexões reconfiguráveis entre eles. Os elementos lógicos de um FPGA são selecionados para suportar uma ampla variedade de aplicações, mas sofrem com o processo de "usar ou perder" quando elementos lógicos específicos não são usados.

Se um multiplicador de ponto flutuante não for necessário para uma aplicação específica, mas o FPGA já possua um, então esse recurso fica desconectado e representa "espaço desperdiçado" dentro do FPGA.

Embora ambos os dispositivos possam conter centenas de milhões de transistores, um ASIC pode usar esses transistores para oferecer alta eficiência e desempenho em detrimento da flexibilidade. As cobranças iniciais de NRE para desenvolver um ASIC podem ser exorbitantes, enquanto os custos unitários podem ser relativamente baixos. 

Um FPGA usa os transistores para entregar alta eficiência e alto desempenho com muita flexibilidade. 

As cobranças iniciais de NRE para desenvolver um FPGA podem ser extremamente baixas, enquanto os custos unitários são geralmente mais altos. É importante observar que essas não são regras definitivas e inflexíveis. Na questão de desempenho, por exemplo, os FPGAs recentes evoluíram para fornecer taxas de clock de mais de 500 MHz e são geralmente fabricados em geometrias de processo de silício de última geração. Em resumo, a fronteira entre FPGAs e ASICs torna-se cada vez mais indistinta com cada nova geração de FPGA.

Funções específicas baseadas em FPGA, bem como as interconexões entre essas funções, são "descritas" em um HDL. A descrição é compilada para formar um arquivo de configuração de FPGA. Usando uma linguagem de descrição de hardware, é possível usar recursos FPGA integrados (matrizes de memória, núcleos PCI, entre outros), bem como criar circuitos lógicos personalizados (somadores, multiplexadores e outras funções específicas da aplicação) a partir de elementos mais primitivos de FPGA.

Em um processo conhecido como síntese, o código HDL é traduzido em uma netlist, uma descrição efetiva das portas lógicas e interconexões necessárias para implementar o código HDL. A netlist é então mapeada para os PLBs e interconexões que formam fisicamente o circuito exclusivo.

Os FPGAs modernos produzidos por fabricantes como Intel e Altera oferecem uma ampla gama de funcionalidades digitais e analógicas, incluindo densidades lógicas notáveis, memória flash, processadores embarcados e blocos de processamento de sinal digital (DSP). Os FPGAs podem ser configurados e reconfigurados modificando as entradas e saídas elétricas, escolhendo quais recursos internos são utilizados e determinando como esses recursos são conectados por meio de recursos de roteamento configuráveis. O resultado final é uma solução de hardware dedicada para resolver um problema específico.

Assim como acontece com o software, o desenvolvimento de projetos complexos de FPGA pode ser simplificado pelo uso de bibliotecas pré-projetadas de várias funções e circuitos digitais, conhecidos como núcleos de propriedade intelectual (PI). Essas bibliotecas estão disponíveis para compra ou aluguel de fornecedores de FPGA e fornecedores terceirizados, que geralmente são especializados no desenvolvimento de diversas funções.

Esses elementos são principalmente blocos lógicos configuráveis (CLBs), interconexões programáveis, roteamento programável, blocos de entrada/saída programáveis (IOBs), memória on-chip e blocos de processamento de sinal digital (DSPs). 

Os blocos lógicos configuráveis (CLBs) são o componente principal dos FPGAs. Os CLBs geralmente contêm alguns elementos lógicos primitivos (portas lógicas, pequenas tabelas de consulta, flip-flops, multiplexadores, entre outros).

Dentro do CLB, um flip-flop geralmente serve como principal elemento de armazenamento de dados, embora famílias de dispositivos mais recentes também possam incorporar elementos de memória com capacidade limitada no CLB.

As ligações construídas a partir de segmentos de fio unidos por chaves eletricamente programáveis fornecem caminhos de roteamento entre os blocos lógicos do FPGA.

As caixas de switch contendo vários switches semicondutores básicos são comumente usadas para estabelecer a interconexão programável de um FPGA. Essas interconexões permitem que as saídas de uma unidade específica ou um de terminal de entrada sejam ligados a qualquer outra célula ou terminal dentro do circuito.

Segmentos de fio pré-fabricados são unidos (ou são deixados desconectados) pelas interconexões programáveis para fornecer uma infraestrutura de roteamento totalmente programável dentro de um FPGA.

Os recursos de roteamento são de natureza hierárquica, com uma combinação de fios longos, médios e curtos abrangendo vários “comprimentos” dentro do FPGA.  Essa infraestrutura de roteamento programável, possibilitada pelas interconexões programáveis, permite que os usuários configurem recursos FPGA para a implementação de uma tarefa ou aplicação específica.

A interface entre um FPGA e outros dispositivos externos é habilitada por blocos de entrada/saída (E/S) (IOBs). Os IOBs são recursos de entrada e saída programáveis configurados para corresponder aos protocolos de quaisquer dispositivos externos aos quais o FPGA se conecta. Todos os sinais que entram ou saem do FPGA passam pelos pinos do dispositivo e pelos IOBs associados.

Os primeiros FPGAs usavam apenas flip-flops (FFs) para integrar a memória aos blocos lógicos do FPGA. No entanto, à medida que os recursos do FPGA aumentaram, projetos cada vez mais complexos exigiram memória on-chip dedicada para armazenamento em buffer e reutilização de dados.

Os FPGAs modernos usam grandes matrizes de memória SRAM, pequenas tabelas de consulta (LUTs) e elementos flip-flop tradicionais para fornecer o armazenamento necessário para uma aplicação específica.

Nos primeiros FPGAs, os únicos recursos aritméticos disponíveis eram somadores simples, qualquer recurso mais complexo era construído a partir de elementos lógicos mais primitivos. No entanto, à medida que a tecnologia de silício avançou, recursos aritméticos mais complexos foram incorporados aos FPGAs, gerando o moderno bloco FPGA DSP.

Os blocos DSP fornecem recursos altamente otimizados (multiplicadores, acumuladores, dentre outros) para a implementação de funções aritméticas de alto desempenho.

Seu uso elimina a necessidade de implementar essas funções em CLBs de uso geral, liberando-os assim para outros fins. Operações como filtragem digital, convolução, transformadas de Fourier, operações trigonométricas e muitas outras podem aproveitar esses recursos para obter desempenho em tempo real em aplicações que vão desde processamento de radar, formação de feixe, reconhecimento de padrões, entre outros.

• FPGAs baseados em antifusíveis: FPGAs que são configuráveis, mas não reconfiguráveis. Usam um elemento programável único chamado antifusível, que é configurado aplicando uma alta tensão para criar conexões entre fios internos. Um FPGA baseado em antifusível só pode ser configurado uma vez, não pode ser reconfigurado.
  
  
• FPGAs baseados em SRAM: esses tipos de FPGAs são altamente versáteis e podem ser configurados durante a execução. Os FPGAs baseados em SRAM usam memória estática de acesso aleatório (SRAM) para armazenar as instruções de configuração e requerem memória externa para manter o código de configuração.
  
  
• FPGAs baseados em flash: diferentemente dos FPGAs baseados em SRAM, os FPGAs baseados em flash armazenam a configuração em memória flash não volátil, que tem o benefício adicional de ser reprogramável.
  
  
• FPGAs baseados em EEPROM: esse tipo de FPGA é semelhante aos FPGAs baseados em flash, mas utiliza memória somente de leitura programável e apagável eletronicamente (EEPROM) para armazenar a configuração do FPGA. Ambos são não voláteis e reprogramáveis.
  
  
• FPGAs híbridos: FPGAs híbridos oferecem diversos níveis de desempenho, operação com baixo consumo de energia e versatilidade por meio de uma combinação de diferentes elementos programáveis, como blocos lógicos baseados em SRAM ou flash.
  
  
• FPGAs de sistema em chip: os FPGAs de sistema em chip (SoC) integram lógica programável com núcleos de processador dedicados, combinando as funcionalidades de um FPGA e de um SoC. Um único chip de silício que combina vários chips de processamento de sistema, como CPUs, GPUs e RAM em uma única unidade.