選擇FPGA時(shí)有哪些應(yīng)用注意事項(xiàng)？

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(chǎng)后也是如此。因此，F(xiàn)PGA 越來(lái)越多地用于各種系統(tǒng)，從火星探測(cè)器到戰(zhàn)斗機(jī)，從通信和汽車(chē)系統(tǒng)到越來(lái)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(huì)的常見(jiàn)問(wèn)題解答之后，將討論使用FPGA 如何影響設(shè)計(jì)過(guò)程，并簡(jiǎn)要回顧 FPGA 系統(tǒng)集成問(wèn)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(kāi)始；安全/加密用途和圖像處理。它將考慮在汽車(chē)、航空、醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)中使用 FPGA 的具體機(jī)會(huì)。推動(dòng) FPGA 采用的因素之一是嵌入式應(yīng)用專(zhuān)用內(nèi)核的可用性不斷提高。對(duì)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(wú)線電）內(nèi)核、5G/MIMO 內(nèi)核、電力線通信內(nèi)核、工業(yè)和汽車(chē)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(wèn)題。它由特定于 FPGA 的安全問(wèn)題和與應(yīng)用程序相關(guān)的問(wèn)題的組合組成。首先，代工廠的知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 盜竊通常是定制 IC 的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。FPGA 解決了這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槊舾?IP 通常在交付之前不會(huì)加載到 FPGA 中。此外，F(xiàn)PGA 可以使用比特流加密來(lái)保護(hù)已加載到 FPGA 或外部存儲(chǔ)器上的 IP。但還需要做更多工作來(lái)確保 FPGA 和終端應(yīng)用程序的安全。

FPGA 在一系列軍事、汽車(chē)、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(hào)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(shì)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(duì)于關(guān)鍵系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用程序。基于軟件的安全性的復(fù)雜性是有問(wèn)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(chǎng)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(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(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(jí)操作的能力。公鑰系統(tǒng)和入侵檢測(cè)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(lái)了低延遲和高能效的優(yōu)勢(shì)。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(guò)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(jí)別）和時(shí)間內(nèi)容（任務(wù)級(jí)別）。

為獲得最佳性能，需要專(zhuān)門(mén)針對(duì) FPGA 圖像處理優(yōu)化軟件?，F(xiàn)有的圖像處理算法通常針對(duì)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(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析圖像并識(shí)別潛在的可疑活動(dòng)。這樣的系統(tǒng)可以使用一系列 IP 內(nèi)核來(lái)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(jué)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(dòng)。

FPGA可用于實(shí)現(xiàn)一系列圖像處理功能，包括過(guò)濾、分割、壓縮、聚類(lèi)等。應(yīng)用范圍廣泛，包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)、交通標(biāo)志識(shí)別、醫(yī)療系統(tǒng)中的組織圖像分析、機(jī)器人和智能視覺(jué)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(lái)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(jué)系統(tǒng)帶來(lái)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(jué)和激光雷達(dá)，并且本質(zhì)上是面向未來(lái)的，并且能夠通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)來(lái)支持新的流程和應(yīng)用程序。

ADAS 和 FPGA

除了機(jī)器視覺(jué)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(dòng)、車(chē)道檢測(cè)、交通信號(hào)識(shí)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(dòng)估計(jì)、對(duì)象識(shí)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(chē)級(jí) FPGA。（圖片：高云半導(dǎo)體）

與數(shù)字信號(hào)處理相比，F(xiàn)PGA 在 ADAS 應(yīng)用中具有重要優(yōu)勢(shì)；通過(guò)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(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP) 相當(dāng)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(yīng)用中發(fā)揮作用。

軟件無(wú)線電和 FPGA

高級(jí)軟件無(wú)線電 (SDR) 應(yīng)用受益于 FPGA 和數(shù)字信號(hào)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(wú)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(jí)寬帶通信，用于軍事、公共安全和商業(yè)無(wú)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(jí)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(chǎng)可升級(jí)的高級(jí)加密引擎；高速無(wú)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(lái)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(duì)于軍用飛機(jī)，相對(duì)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(jiàn)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(chē)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(guò)時(shí)的優(yōu)勢(shì)中獲益。FPGA 在這些和其他系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)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(gòu)要求

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

• 集成專(zhuān)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(guò)程中和設(shè)備進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)。POWERLINK 是由以太網(wǎng) POWERLINK 標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)，但時(shí)間緊迫的任務(wù)可以轉(zhuǎn)移到專(zhuān)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(duì)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(huì)對(duì)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(tǒng)集成挑戰(zhàn)。