Introduction aux FPGAs et MPUs

Les circuits prédiffusés sont constitués de cellules de base identiques, préfabriquées. Leur architecture est prédéfinie. Seules les connexions sont personnalisables en suivant des structures prédéfinies.

Un circuit programmable est un circuit intégré dont l'architecture peut être modifiée par l'utilisateur. Cela signifie que les blocs logiques et les connexions peuvent être reconfigurés pour répondre à des besoins spécifiques.

Les circuits configurables, aussi appelés PLD (Programmable Logic Device), sont un type de circuit programmable. La configuration ne nécessite pas de modification physique, elle se fait par programmation.

Les circuits programmables offrent une flexibilité pour l'architecture du circuit. Les connexions et les blocs logiques peuvent être modifiés par l'utilisateur, ce qui permet d'adapter le circuit à un large éventail d'applications.

Pour les circuits prédiffusés, l'architecture est prédéfinie, cela signifie qu'elle ne peut pas être modifiée après la fabrication du circuit. Les circuits prédiffusés sont souvent utilisés pour des applications spécifiques où une certaine flexibilité est acceptable.

Un bloc logique d'un FPGA qui permet d'implémenter des fonctions logiques complexes. Il contient des LUTs, des bascules, des multiplexers et des logiques de retenue.

Une table de correspondance qui permet de convertir des entrées en sorties. Chaque entrée correspond à une sortie, et la table définit la sortie pour chaque combinaison d'entrées possibles.

Un type de bloc mémoire qui peut être configuré pour fonctionner comme une RAM ou une ROM. Il permet de stocker des informations et de les récupérer rapidement.

Un type de connexion qui utilise un seul fil avec une référence à la masse pour transmettre un signal.

Un type de connexion qui utilise deux fils pour transmettre un signal, en utilisant la différence de potentiel entre les deux fils.

Composants spécifiquement optimisés pour les opérations de sommes de produits, utilisées dans le traitement de signal numérique.

Processus qui s’exécute sur des blocs logiques et de mémoire configurables, offrant une flexibilité mais une performance moins élevée.

Composants de processeur intégrés sur la puce FPGA, offrant des performances supérieures aux processeurs Softcore, optimisés pour les tâches critiques.

Une puce qui inclut un processeur, de la mémoire et des périphériques dans un même circuit intégré. Les FPGA modernes sont souvent des SoC.

L'évolution générale des FPGA se traduit par des performances accrues, une intégration de ressources plus importantes et un coût réduit, ce qui les rend de plus en plus populaires.

Les FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) sont des circuits programmables qui permettent de configurer l'architecture du circuit selon les besoins de l'application.

Les MPUs (Micro-Processing Units) sont des circuits intégrés contenant un processeur, de la mémoire et des interfaces de communication. Ils exécutent des instructions et gèrent les données, fonctionnant comme le cerveau d'un système.

Les FPGAs offrent un haut degré de parallélisme, ce qui leur permet d'exécuter plusieurs tâches simultanément, contrairement aux MPUs qui traitent les tâches séquentiellement.

Les MPUs sont plus faciles à programmer que les FPGAs car ils utilisent des langages de programmation standardisés. Les FPGAs nécessitent des langages de description de matériel (HDL) spécifiques.

Le parallélisme des FPGAs offre des performances élevées pour les applications exigeant un temps de réponse rapide, comme les systèmes temps réel.

Les FPGA sont des circuits programmables qui offrent une flexibilité importante pour l'adaptation à une variété de tâches et de standards.

Les FPGAs offrent un prototypage rapide et un coût attractif pour les petites séries, ce qui les rend avantageux pour les projets de développement.

Contrairement aux ASICs, les FPGAs permettent de s'adapter facilement aux changements fréquents des standards de communication, assurant une évolutivité et une compatibilité.

Un FPGA peut exécuter plusieurs tâches en parallèle grâce à son architecture programmable, augmentant sa performance par rapport aux CPUs/MPUs.

Les FPGAs permettent une implémentation personnalisée des tâches, offrant une flexibilité supérieure aux CPUs/MPUs/GPUs pour des tâches complexes.

Les FPGAs peuvent exécuter des tâches parallèles complexes comparées aux GPUs, offrant une polyvalence accrue et une adaptabilité à des besoins spécifiques.

La consommation d'énergie d'un FPGA est généralement plus faible que celle d'un CPU ou d'un GPU, ce qui est avantageux pour des applications mobiles et embarquées.

Les blocs mémoires intégrés au FPGA minimisent les accès externes, réduisant la latence et améliorant la performance par rapport aux CPUs et GPUs.

Microsoft utilise les FPGAs dans ses services de recherche et de cloud computing pour accélérer le traitement des données.

Les FPGAs sont utilisés dans le domaine du Deep Learning notamment en vision par ordinateur et en traitement du langage naturel.

Les FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) sont des circuits intégrés programmables dont l'architecture peut être modifiée par l'utilisateur. Ils offrent une flexibilité accrue pour la conception de circuits électroniques, pouvant être reconfigurés pour répondre à des besoins spécifiques après la fabrication.

Les FPGAs sont utilisés dans une variété d'applications, notamment l'intelligence artificielle (pour la prédiction), le traitement d'images et vidéo (pour l'accélération du traitement dans les data-centers), l'automobile (pour les véhicules autonomes et électriques), la robotique, le médical et les télécommunications.

Pour programmer un FPGA, il existe plusieurs méthodes, dont la méthode schématique, idéale pour les petits projets, et les langages HDL (Hardware Description Language). Les langages HDL permettent une description plus abstraite et flexible du circuit.

Les langages HDL, comme VHDL et Verilog, permettent de décrire le comportement souhaité d'un circuit en utilisant une syntaxe spécifique. Ils offrent un niveau d'abstraction plus élevé que les schémas, ce qui facilite la conception de circuits complexes.

Les blocs logiques d'un FPGA sont des éléments de base qui peuvent être interconnectés pour créer des fonctions logiques complexes. Ces blocs peuvent contenir des LUTs (Look-Up Tables), des bascules, des multiplexers et des logiques de retenue.

Les ASIC sont des circuits intégrés conçus pour des applications spécifiques. Ils offrent des performances et une intégration élevées, mais leur conception et leur fabrication sont coûteuses et prennent du temps.

Au début des années 1990, les FPGA étaient limités en termes de capacité et de blocs logiques programmables. Ils nécessitaient des composants supplémentaires tels que des processeurs, des mémoires et des ASICs pour implémenter des systèmes électroniques complets.

À partir des années 2000, les FPGA ont évolué pour inclure des blocs mémoire intégrés, augmentant leurs capacités et leur potentiel de remplacement des ASICs dans de nombreuses situations. Cependant, ils nécessitaient toujours des processeurs ou des DSPs supplémentaires.

Après 2005, les FPGA ont intégré des processeurs et des blocs DSP, ce qui leur a permis d'implémenter des systèmes électroniques complets. En raison de leur capacité mémoire limitée, ils nécessitent des mémoires externes pour des applications plus exigeantes.

Xilinx, Intel (Altera), Lattice Semiconductor, Microchip, Cypress et QuickLogic sont des fabricants majeurs de FPGA.

FLOPS (Floating-Point Operations Per Second) est une mesure des performances des processeurs, en particulier pour les opérations en virgule flottante utilisées dans des applications telles que le traitement d'images et le calcul scientifique.

Les ASIC offrent une intégration élevée, des performances élevées (vitesse et consommation), des coûts de production réduits pour les gros volumes et une sécurité industrielle. Mais ils ont un prix élevé pour le premier exemplaire, ne sont pas flexibles et ont un long délai de mise sur le marché.

Les FPGA offrent la possibilité de prototypage, un délai de mise sur le marché court, une grande adaptabilité aux futures évolutions par reconfiguration, de la flexibilité et un prix relativement faible pour les petites quantités.

Les ASIC ont un prix de premier exemplaire élevé, ne sont pas flexibles, ont un délai de mise sur le marché long, nécessitent des spécialistes de la fabrication et ne permettent pas de corriger les erreurs après la fabrication.

Les FPGA ont une intégration limitée par les ressources de routage, des performances plus faibles que celles des ASIC, un prix unitaire élevé pour les grosses productions.

Les CPU (Central Processing Unit) sont conçus pour exécuter un large éventail d'applications différentes, tandis que les FPGA sont généralement utilisés pour exécuter des applications spécifiques et personnalisées.

Les CPU offrent une facilité de programmation, mais sont limités en parallélisme et ont des latences plus importantes.

Les FPGA offrent un grand degré de parallélisme, une faible consommation d'énergie, une architecture personnalisable et la possibilité d'implémenter plusieurs interfaces sur une seule puce.

Les FPGA sont plus chers que les CPU et plus complexes à concevoir.

En raison de leur grande capacité de parallélisme, les FPGA sont bien adaptés pour des applications nécessitant un traitement intensif, une faible consommation d'énergie, une taille réduite ou un interfaçage optimisé avec d'autres composants.

Les FPGA ne sont pas adaptés pour exécuter des applications diverses sur des ordinateurs ou des smartphones, mais plutôt pour des tâches spécifiques (en co-processeur sur des ordinateurs/serveurs ou dans les systèmes embarqués).