하드웨어와 소프트웨어는 서로 밀접하게 연결되어 있습니다. 컴퓨터나 다른 전자 기기를 위한 하드웨어를 설계할 때는, 해당 하드웨어가 코드를 정확하게 실행하는지 확인하는 것이 필수적입니다.
FPGA(Field Programmable Gate Array)는 사용자가 필요에 따라 회로를 재구성할 수 있는 유연한 하드웨어 아키텍처입니다.
컴퓨터 과학이나 관련 기술 분야에서 성공적인 경력을 쌓고자 한다면 FPGA 프로그래밍이 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 매우 중요합니다.
이 글에서는 FPGA 프로그래밍의 개념, 작동 원리, 활용 분야를 자세히 알아보고, 추가 학습을 위한 다양한 자료를 제공합니다.
FPGA 프로그래밍이란?
FPGA는 프로그래밍 가능한 논리 블록과 다양한 기능을 내장한 집적 회로(IC)입니다. 사용자는 이를 필요에 따라 구성하고 재구성할 수 있습니다.
‘필드 프로그래밍 가능’이라는 용어는 FPGA의 기능이 미리 고정된 것이 아니라 사용자가 필요에 따라 변경할 수 있음을 의미합니다. 즉, 특정 설계 목표를 달성하기 위해 회로의 기능을 언제든지 수정할 수 있습니다.
FPGA 프로그래밍은 FPGA를 활용하여 특정 컴퓨팅 문제를 해결하는 과정을 의미합니다.
프로그래머는 회로의 논리 구조를 설계하고 구현하여 사용자의 요구 사항을 만족하는 기능적인 회로를 만들어야 합니다. FPGA 프로그래밍의 최종 목표는 전원이 공급될 때 특정 출력을 생성하는 하드웨어 회로를 만드는 것입니다.
FPGA의 회로 기판은 실제 회로의 동작을 시뮬레이션하도록 설계되어 있습니다. 따라서 이러한 회로 기판은 신제품 테스트를 위한 품질 보증 단계에서 널리 사용됩니다. FPGA 시스템은 다양한 하드웨어 요소로 구성됩니다.
기본적으로 논리 게이트는 FPGA를 구성하는 가장 기본적인 요소입니다. 논리 게이트는 입력 및 출력 데이터에 대해 부울 연산을 수행합니다. 또한, 신호를 한 지점에서 다른 지점으로 전달하는 데 사용되는 라우팅 자원도 포함됩니다.
FPGA 프로그래밍의 활용 사례
FPGA 프로그래밍은 현대 기술 개발자들에게 매우 매력적인 분야입니다.
다음은 FPGA 프로그래밍의 몇 가지 주요 활용 사례입니다.
#1. ASIC 설계
개발자는 이제 특정 용도에 맞게 설계된 주문형 집적 회로(ASIC)를 만들 수 있습니다. ASIC은 특히 비트코인 채굴 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다.
FPGA의 설계는 오류 수정이 용이하다는 장점이 있습니다. 또한, FPGA는 하나의 프로젝트 모델을 다른 프로젝트에도 재활용할 수 있어 장기적으로 시간과 자원을 절약할 수 있습니다.
#2. 재생 에너지 분야
지구 온난화 문제가 심각해짐에 따라 바람과 태양과 같은 재생 에너지 자원이 더욱 중요해지고 있습니다. 송배전(T&D) 변전소는 스마트 그리드가 최적의 성능을 발휘하기 위해 효율적인 전력망을 필요로 합니다.
FPGA는 낮은 전력 소비를 유지하면서 스마트 그리드의 확장성과 성능을 개선하는 데 매우 유용하게 활용됩니다.
#3. 항공우주 및 방위 산업
항공기는 매우 혹독한 환경에 노출될 수 있습니다. 따라서 제조업체들은 극한 환경에서도 뛰어난 안정성, 성능, 수명 주기 요구 사항을 충족하는 내방사성 FPGA를 개발하고 있습니다. 이는 기존 ASIC 구현 방식보다 더욱 향상된 성능을 제공합니다.
#4. 서버 애플리케이션
데이터 처리 속도에 대한 요구가 급증함에 따라 데이터 센터와 서버의 중요성이 더욱 커지고 있습니다. 제한된 공간과 시간 제약 속에서도 데이터를 실시간으로 처리해야 합니다.
FPGA는 BRAM(Block RAM)을 통해 외부 데이터 저장 요소와 연결되어 칩 내부에서 데이터 처리 속도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
FPGA 프로그래밍의 장점
- FPGA는 재구성 가능합니다. FPGA의 가장 큰 장점 중 하나는 필요에 따라 구성을 변경하고 다른 응용 프로그램에 사용할 수 있다는 것입니다.
- FPGA는 수동 개입을 줄여줍니다. FPGA 환경에서 라우팅, 타이밍, 배치 작업은 소프트웨어에 의해 자동으로 처리됩니다. 이러한 작업은 수동으로 처리할 경우 상당한 시간과 노력이 필요합니다.
- FPGA는 마치 빈 캔버스와 같습니다. 기존 ASIC과 달리 FPGA는 다양한 요구 사항에 맞게 재프로그래밍할 수 있습니다. 엔지니어는 HDL(Hardware Description Language)을 사용하여 이러한 시스템을 특정 용도에 맞게 프로그래밍할 수 있습니다.
- 프로토타이핑에 적합합니다. ASIC은 제조 비용이 매우 높고, 작은 오류 하나로도 큰 손실이 발생할 수 있습니다. 따라서 ASIC을 출시하기 전에 시스템이 제대로 작동하는지, 설계 목표를 충족하는지 확인하는 것이 중요합니다. FPGA는 재프로그래밍이 가능하므로 원하는 디자인을 얻을 때까지 테스트를 반복할 수 있습니다.
FPGA 프로그래밍 방법
FPGA를 실행하는 데 사용되는 설계는 주로 SystemVerilog, Verilog, VHDL과 같은 하드웨어 기술 언어(HDL)로 작성됩니다.
#1. Verilog
Verilog는 비교적 짧은 코드로 FPGA를 프로그래밍해야 하는 경우에 적합합니다. 이 언어는 하드웨어 아키텍처를 위해 설계되었지만 C 언어와 유사합니다. Verilog는 HDL을 보다 유연하고 강력하게 만들기 위해 개발되었습니다.
#2. SystemVerilog
SystemVerilog는 Verilog의 확장 버전으로, 하드웨어 검증 및 하드웨어 기술 언어로 사용됩니다. 이 언어를 사용하면 하드웨어 패턴을 정의하고 디지털 코드로 변환한 다음 FPGA 시스템에 업로드하여 특정 작업을 수행할 수 있습니다.
#3. VHDL
VHDL은 Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language의 약자입니다. VHDL을 사용하면 FPGA의 하드웨어를 설명할 수 있으며, 실제 하드웨어로 코딩하기 전에 모델링하고 시뮬레이션할 수 있습니다.
VHDL을 사용하면 최종 코딩 전에 회로의 잠재적인 오류를 쉽게 확인할 수 있으며, 구조화된 코드를 작성할 수 있습니다.
고급 합성(HLS)은 C 언어의 하위 집합에서 설계를 수행하고 컴파일러가 코드를 Verilog 코드로 변환하는 방식으로, FPGA를 프로그래밍하려는 개발자에게 인기가 있습니다.
따라서 개발자는 통합 소프트웨어 플랫폼을 통해 FPGA 설계를 위해 익숙한 언어를 사용할 수 있습니다.
#4. Python
Python은 다용도 프로그래밍 언어로 FPGA를 프로그래밍하는 데 사용할 수 있습니다. 이를 위해 Python은 AMD 플랫폼과 쉽게 연동되는 오픈 소스 프로젝트인 PYNQ를 사용합니다.
#5. C 및 C++
C 기반 언어는 HLS(High-Level Synthesis) 덕분에 FPGA 설계에 매우 적합합니다. AMD Vivado™ HLS 컴파일러는 C 기반 프로그램을 최적화하는 데 사용되는 특수 및 표준 프로세서와 핵심 기술을 공유하는 프로그래밍 환경을 제공합니다.
#6. TensorFlow 및 PyTorch와 같은 AI 플랫폼
엔지니어는 PyTorch 또는 TensorFlow에서 훈련된 딥 러닝 모델을 사용하여 FPGA 가속을 위해 컴파일합니다. 이러한 접근 방식은 저수준 하드웨어 프로그래밍의 필요성을 없애면서도 빠른 컴파일 속도를 제공합니다.
Python, C 또는 C++와 같은 일반 프로그래밍 언어로 작성된 코드는 합성 도구를 통해 합성되고 고유한 상호 연결 설명으로 변환됩니다.
상호 연결 설명을 포함하는 결과 파일을 비트스트림이라고 합니다. 비트스트림은 FPGA를 구성하는 방법, 즉 FPGA의 상호 연결 매트릭스를 통해 플립플롭, 게이트 및 다양한 디지털 회로 요소를 연결하는 방법을 정의합니다.
FPGA에는 비트스트림 파일을 읽고 그에 따라 FPGA를 구성하는 내장 구성 회로가 있습니다. 구성 회로는 병렬 플래시 메모리, JTAG 및 직렬 플래시 메모리와 같은 다양한 방식을 통해 비트스트림 파일을 읽을 수 있습니다.
FPGA 보드 제조업체는 개발자가 시스템을 구성/프로그래밍하는 데 사용하는 소프트웨어 또는 명령을 제공합니다.
대부분의 FPGA 시스템은 여러 번 재프로그래밍할 수 있습니다. 유일한 제약은 마모, 온도, 고전압과 같은 사양을 벗어난 조건으로 인해 손상되는 경우입니다.
다음 학습 자료를 통해 FPGA 프로그래밍에 대해 더 자세히 알아볼 수 있습니다.
학습 자료
#1. 초보자를 위한 FPGA 프로그래밍
이 책은 SystemVerilog를 사용하여 FPGA 프로그래밍의 세계를 소개합니다. 교육 방식은 키보드 및 계산기와 같은 실제 응용 프로그램을 개발하는 프로젝트 기반입니다.
이 책은 SystemVerilog RTL 작성 방법을 다루기 전에 FPGA 아키텍처를 소개합니다. 또한 컴퓨터 수학의 기초, 파이프라이닝 및 병렬 처리와 같은 중요한 개념도 다룹니다. 이 책은 AXI 및 키보드 인터페이스(PS/2)와 같은 고급 주제도 포함하고 있습니다.
이 책은 FPGA 및 SystemVerilog 프로그래밍을 배우려는 프로그래머, 엔지니어 및 임베디드 시스템 개발자에게 매우 유용합니다. 또한 실제 프로젝트를 통해 실습 경험을 얻고 싶은 FPGA 설계자에게도 적합합니다.
#2. 소프트웨어 프로그래머를 위한 FPGA
이 책은 소프트웨어 엔지니어에게 FPGA 및 재구성 가능한 기술의 세계를 소개합니다. 책은 FPGA와 프로그래밍 모델을 소개하는 것으로 시작합니다. 또한 저수준 하드웨어 설계 과정 없이 다양한 응용 프로그램을 구현하는 방법을 배울 수 있습니다.
이 책은 소프트웨어 엔지니어의 관점에서 FPGA에 적합한 문제와 솔루션 구현 방법에 대한 실질적인 감각을 제공합니다. 사용자 중심 접근 방식을 통해 FPGA 기술이 어디에 적용되고 어떻게 작동하는지 쉽게 이해할 수 있습니다. 이 책의 주요 대상 독자는 소프트웨어 설계자와 FPGA 설계 엔지니어입니다.
#3. FPGA 입문: Metal 프로그래밍
이 책은 BeMicro MAX 10 보드를 사용하여 나이트 라이더의 온도 센서, 모션 센서, 온도 센서 및 KITT 자동차 디스플레이를 만드는 방법을 안내합니다. 이 책은 초보자에게 친숙하며, 프로그래밍 경험이나 전자 공학 학위가 없는 사람에게도 적합합니다.
이 책은 FPGA를 소개하고 마이크로컨트롤러 또는 ASIC과의 차이점을 설명합니다. 또한 도구 체인을 설정하고 VHDL을 사용하여 FPGA를 프로그래밍하는 방법을 소개합니다. 이 책은 FPGA 세계에 대한 실습 경험을 원하는 전자 제품 및 Raspberry Pi 매니아에게 이상적입니다.
#4. FPGA 프로그래밍: Verilog 시작하기
Verilog와 FPGA에 대한 경험이 없다면 이 책이 좋은 시작점이 될 수 있습니다. FPGA 프로그래밍에 익숙하지 않은 사람들에게 매우 유용한 리소스입니다. 카운터 및 7세그먼트 디스플레이와 같은 일반적인 예제를 통해 학습자를 올바른 방향으로 안내합니다.
이 책은 학습자에게 Verilog를 소개하고 VGA와 같은 다양한 중간 난이도 예제를 제공합니다. Verilog 및 FPGA에 대한 지식이 이미 있는 경우 이 책은 적합하지 않을 수 있습니다. 이 책은 Kindle 및 Paperback 버전으로 제공됩니다.
결론
FPGA는 일부 딥 러닝 애플리케이션에서 짧은 지연 시간이 필요한 경우 GPU보다 더 나은 성능을 제공할 수 있습니다. FPGA 프로그래밍은 가전 제품, 산업 자동화, 군사 애플리케이션 등 다양한 분야에서 FPGA가 사용되기 때문에 중요한 기술입니다. FPGA 기술은 계속 발전하고 있으며, 더 많은 활용 사례와 향상된 성능을 위해 지속적으로 개선될 것입니다.