FPGA là gì? Công dụng phổ biến của FPGA

Thời đại công nghệ luôn đổi mới, chúng ta thường nghe đến một thuật ngữ khá phổ biến: FPGA. Vậy FPGA là gì? Đây là một loại linh kiện điện tử đột phá, cho phép thiết kế hệ thống điện tử linh hoạt và tùy chỉnh cao. FPGA có cấu trúc mảng logic có thể lập trình, giúp tạo ra các mạch kỹ thuật số theo yêu cầu cụ thể. Nhờ khả năng tái cấu hình và linh hoạt, FPGA đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực, từ viễn thông, y tế, đến trí tuệ nhân tạo và xe tự lái. Hãy cùng Hà Phương khám phá sâu hơn về FPGA cũng như công dụng và lợi ích của thiết bị trong bài viết dưới đây nhé! 

FPGA là gì? Công dụng phổ biến của FPGA

FPGA là gì?

FPGA là gì? FPGA được viết tắt bởi Field-Programmable Gate Array, là một loại vi mạch logic có thể lập trình lại, đang ngày càng thu hút sự quan tâm trong ngành công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin. 

Được cấu tạo từ mạng lưới ma trận các khối logic có thể lập trình (CLB) kết hợp với kết nối linh hoạt, FPGA là vi mạch bán dẫn cho phép lập trình hoặc cấu hình lại sau khi mua thay vì chỉ sử dụng thiết bị gốc của nhà sản xuất. Nhờ vậy, người dùng có thể tạo ra các vi mạch chuyên dụng cho từng mục đích riêng, thay vì phụ thuộc vào các chip OEM giới hạn.  

Trái với vi mạch tích hợp cố định (ASIC), FPGA cho phép người dùng thay đổi chức năng của vi mạch theo ý muốn, tạo ra sự linh hoạt và tiết kiệm chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm. 

Một FPGA có thể chứa vài nghìn cổng, không giống như các chip bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình nhưng bị giới hạn ở vài trăm cổng. Chính vì thế, FPGA được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xử lý tín hiệu số, trí tuệ nhân tạo, viễn thông, y tế và nhiều hơn nữa.

Với sự linh hoạt, khả năng tùy chỉnh cao và hiệu suất mạnh mẽ, FPGA đang dần trở thành lựa chọn hàng đầu cho các nhà phát triển và kỹ sư trong ngành công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin. 

Nguyên lý hoạt động của FPGA như thế nào?

Một FPGA bao gồm các khối phần cứng bên trong với các kết nối có thể lập trình được bởi người dùng để tùy chỉnh hoạt động cho một ứng dụng cụ thể. Các kết nối này có thể được lập trình lại, cho phép FPGA điều chỉnh các thay đổi trong thiết kế hoặc hỗ trợ một ứng dụng mới trong suốt vòng đời của thiết bị. FPGA được lập trình ban đầu trong quá trình sản xuất, nhưng sau đó có thể lập trình lại để cập nhật bất kỳ thay đổi nào được thực hiện đối với thiết bị.

Một FPGA dựa trên ma trận các khối logic có thể cấu hình (CLB) được kết nối thông qua các kết nối có thể lập trình được. CLB tạo thành một ô FPGA cơ bản và bao gồm hai bộ tạo hàm 16 bit, một bộ tạo hàm 8 bit, hai thanh ghi (flip-flop hoặc latches) và các bộ điều khiển định tuyến có thể lập trình lại (multiplexers). CLB được sử dụng để triển khai macro và các chức năng được thiết kế khác.

Không giống như bộ xử lý, FPGA có khả năng hoạt động song song. Các hoạt động xử lý khác nhau không cạnh tranh tài nguyên với nhau mà được gán cho các phần chuyên dụng riêng biệt trên chip. Nhờ vậy, mỗi tác vụ hoạt động độc lập, không ảnh hưởng lẫn nhau, đảm bảo hiệu suất không bị ảnh hưởng khi có nhiều thao tác được thực hiện cùng lúc.

Phân loại FPGA hiện có trên thị trường

Để đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường, các nhà sản xuất đã cho ra đời nhiều loại FPGA với các đặc điểm và tính năng khác nhau. Sau đây, Hà Phương sẽ phân loại FPGA hiện có trên thị trường dựa trên các tiêu chí quan trọng, giúp bạn dễ dàng lựa chọn loại phù hợp nhất cho nhu cầu của mình: 

• FPGA dựa trên SRAM: Các FPGA này lưu trữ cấu hình của chúng trong bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM). Loại FPGA này có thể lập trình lại và có thể được cấu hình trong thời gian chạy, nhưng yêu cầu bộ nhớ ngoài để lưu trữ cấu hình của nó.  Do cần duy trì dữ liệu lập trình trong các ô nhớ SRAM, FPGA dựa trên SRAM có thể tiêu tốn nhiều điện năng hơn so với các loại FPGA khác nhưng lại cung cấp tính linh hoạt cao.
• FPGA dựa trên antifuse: Những FPGA sử dụng antifuse, là các phần tử có thể lập trình một lần được lập trình bằng cách đặt điện áp cao. Một khi cầu chì đã được lập trình, FPGA này sẽ không thể thay đổi được. Vì dữ liệu lập trình được gắn vào antifuse một cách vĩnh viễn nên FPGA dựa trên antifuse có khả năng chống hack cao hơn.
• FPGA dựa trên flash: Các FPGA này lưu trữ cấu hình của chúng trong bộ nhớ flash, không dễ thay đổi và có thể được lập trình lại. Flash memory trong FPGA có khả năng lưu trữ dữ liệu trong thời gian dài mà không cần nguồn điện, giúp bảo vệ dữ liệu lập trình khi không có nguồn cung cấp điện. Flash FPGA có thể được lập trình lại nhanh chóng và khởi động mạch mới một cách nhanh chóng, tăng hiệu suất và linh hoạt trong quá trình phát triển sản phẩm. 
• Các FPGA dựa trên EEPROM: Các FPGA này lưu trữ cấu hình trong bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình có thể xóa bằng điện (EEPROM). EEPROM là một loại bộ nhớ không bay hơi, có nghĩa là bộ nhớ sẽ giữ lại dữ liệu ngay cả khi mất nguồn, giúp cho các FPGA dựa trên EEPROM có thể được lập trình lại nhiều lần, đáng tin cậy hơn các FPGA dựa trên SRAM.
• FPGA Hybrid: Các FPGA này kết hợp các loại phần tử lập trình khác nhau, chẳng hạn như logic dựa trên SRAM và bộ nhớ dựa trên flash, để mang lại sự cân bằng về hiệu suất, tính linh hoạt và tính ổn định.

Cùng tìm hiểu thêm về bài viết: Giao thức Radius là gì? Xu hướng tương lai của giao thức RADIUS

Công dụng phổ biến của FPGA

FPGA được triển khai rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong Internet vạn vật (IoT) công nghiệp. Dưới đây là một số công dụng chính trong các lĩnh vực như:

Sử dụng trong ngành năng lượng

Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió đang ngày càng trở nên phổ biến, thúc đẩy sự phát triển của lưới điện thông minh. Tuy nhiên, để tối ưu hóa vận hành, lưới điện thông minh cần mạng lưới điện hiệu quả tại các trạm biến áp T&D. Tự động hóa với công nghệ giám sát, điều chỉnh và bảo mật liên tục đóng vai trò thiết yếu trong việc quản lý nhu cầu cao điểm. FPGA nổi lên như giải pháp tối ưu, giúp nâng cao hiệu suất và khả năng mở rộng của lưới điện thông minh tout en tiết kiệm điện năng.

Sử dụng FPGA để thiết kế ASIC

Sử dụng FPGA để thiết kế ASIC là một phương pháp phổ biến trong quá trình phát triển sản phẩm. Bằng cách này, bạn có thể sử dụng FPGA để thử nghiệm và kiểm tra logic của mạch trước khi chuyển sang thiết kế ASIC. FPGA cho phép bạn nhanh chóng thử nghiệm và hiệu chỉnh logic mạch trước khi tạo ra một phiên bản ASIC cố định. 

Cải thiện trải nghiệm sử dụng xe ô tô

FPGA tạo sự thoải mái và thuận tiện trên xe bằng cách sử dụng silicon và IP ô tô. Với Microsemi FPGA, các nhà sản xuất và nhà cung cấp thiết bị gốc (OEM) dành cho xe cộ có thể phát triển các ứng dụng an toàn tiên tiến như kiểm soát hành trình, cảnh báo điểm mù và tránh va chạm. 

Ngoài ra, các tính năng an ninh mạng bao gồm đảm bảo thông tin, chống giả mạo và bảo mật phần cứng, có sẵn từ các nhà cung cấp FPGA, cùng với các tính năng đáng tin cậy như bộ nhớ sửa lỗi và nguồn điện tĩnh thấp mang lại khả năng rò rỉ tối thiểu và khả năng hoạt động trong môi trường năng lượng thấp. 

Hỗ trợ hệ thống thời gian thực 

FPGA đóng vai trò thiết yếu trong các hệ thống thời gian thực, nơi thời gian đáp ứng là yếu tố then chốt. Khác với CPU thông thường có thời gian phản hồi không thể dự đoán, FPGA đảm bảo tính chính xác và liên tục trong việc xử lý yêu cầu.

Hệ điều hành thời gian thực tuy giúp duy trì thời gian phản ứng trong giới hạn nhất định, nhưng lại không hiệu quả khi cần phản hồi nhanh. FPGA giải quyết vấn đề này bằng cách triển khai phương pháp yêu cầu sử dụng mạch tổ hợp hoặc tuần tự, đảm bảo thời gian phản hồi liên tục.

Sử dụng trong truyền thông và SDN

Các mạng được xác định bằng phần mềm (Software defined networks) phải được đưa vào FPGA để sử dụng trong bối cảnh thời gian thực, phức tạp. Các thành phần tiêu chuẩn của radio bao gồm: ăng-ten để nhận và truyền tín hiệu, phần cứng mạng để xử lý chúng bằng cách lọc, thay đổi tần số…Phần cứng mạng về cơ bản không thể thay đổi các chức năng được dự kiến. Tuy nhiên, chức năng này được chuyển sang thiết bị điện tử FPGA.

Sử dụng trong trung tâm dữ liệu và đám mây

Internet vạn vật (IoT) và big data đang tạo ra sự bùng nổ về lượng dữ liệu được thu thập và xử lý. Nhu cầu về khả năng tính toán có độ trễ thấp, linh hoạt và an toàn ngày càng cao để đáp ứng xu hướng này. Việc đơn giản thêm máy chủ không thể giải quyết vấn đề do chi phí không gian tăng cao.

FPGA là giải pháp tiềm năng cho các trung tâm dữ liệu. Nhờ khả năng tăng tốc xử lý, linh hoạt trong thiết kế và tính bảo mật cao, đáp ứng nhu cầu tính toán ngày càng tăng của IoT và big data một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

Hệ thống Computer vision

Hệ thống Computer Vision có trong nhiều thiết bị như camera giám sát video, robot…Các thiết bị này cần một hệ thống dựa trên FPGA để có thể hoạt động và tương tác với mọi người theo cách hợp lý, tùy theo vị trí, môi trường xung quanh và khả năng nhận dạng khuôn mặt. 

Lợi ích của việc sử dụng FPGA

Hiệu suất xử lý cao

Bản chất song song của FPGA cho phép cung cấp sức mạnh xử lý cao hơn, tốc độ, thời gian phản hồi tốt hơn và hiệu suất tổng thể được cải thiện khi so sánh với các bộ vi xử lý hiện đại khác.

Cấu trúc phần cứng có thể lập trình lại

Vì FPGA có thể lập trình lại nên chức năng có thể được xác định lại ngay cả sau khi sản xuất. Người dùng có thể lập trình các tính năng và chức năng mới của sản phẩm, thích ứng với các tiêu chuẩn mới và cấu hình lại các ứng dụng phần cứng sau khi sản phẩm được cài đặt tại hiện trường. Tính linh hoạt này mang lại lợi thế cho thiết kế dựa trên FPGA so với các hệ thống dựa trên vi điều khiển. Người dùng có thể mắc lỗi trong lập trình, sau đó sửa đổi hoặc thay đổi FPGA bằng tệp cấu hình mới mà không cần phải tạo nguyên mẫu hoặc phần cứng bổ sung, tiết kiệm thời gian và giảm chi phí.

Thời gian đưa ra thị trường nhanh hơn

FPGA luôn có sẵn và cho phép người dùng nhanh chóng phát triển các hệ thống dựa trên công nghệ này. Người dùng FPGA có thể vận chuyển hệ thống ngay khi thiết kế sản phẩm hoạt động và thử nghiệm.

Chi phí tổng thể thấp hơn

So với chi phí sản xuất ASIC, FPGA tương đối rẻ. Chu trình thiết kế của ASIC kéo dài và công cụ sản xuất rất tốn kém. Ngoài ra, bất kỳ thay đổi nào trong thiết kế sẽ yêu cầu một con chip mới, thay vì một FPGA có thể được cập nhật đơn giản bằng một chương trình mới.

Mức độ bảo trì thấp

Không giống như ASIC, FPGA có thể lập trình lại và có thể được nâng cấp hoặc nâng cao tại hiện trường mà không cần đầu tư thời gian và nguồn lực để cấu hình lại bảng mạch và phần cứng. Chi phí kỹ thuật cũng thấp hơn đáng kể so với ASIC. Yêu cầu hệ thống có thể thay đổi theo thời gian và chi phí thực hiện các thay đổi gia tăng đối với FPGA là nhỏ khi so sánh với chi phí lớn cho việc trang bị lại ASIC.

Tổng kết

Như vậy, bài viết trên đã giúp bạn hiểu hơn về FPGA là gì. FPGA là một loại vi mạch được xây dựng trên cấu trúc logic, với tính ứng dụng cao, mang lại nhiều lợi ích hơn các dòng chip thông thường và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, hàng không, y tế…Nếu bạn vẫn còn thắc mắc về tính năng hay nguyên lý hoạt động của FPGA thì hãy liên hệ ngay với Hà Phương để được giải đáp nhé!