하드웨어와 소프트웨어 사이에는 매우 얇은 경계가 존재합니다. 컴퓨터와 같은 가젯용 하드웨어를 만들 때 코드를 실행하고 실행하는지 확인해야 합니다.
FPGA(Field Programmable Gate Array)는 사용자가 언제 어디서나 회로를 사용자 정의할 수 있는 하드웨어 아키텍처 형식입니다.
컴퓨터 과학이나 기술 분야에서 경력을 쌓고 싶다면 FPGA 프로그래밍 작동 방식에 대해 배우는 것이 중요합니다.
이 기사에서는 FPGA 프로그래밍이 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 어디에 적용되는지 설명하고 다양한 리소스를 공유하여 더 많은 정보를 제공합니다.
목차
FPGA 프로그래밍
FPGA는 구성 가능한 논리 블록과 사용자가 프로그래밍 및 재프로그래밍할 수 있는 다양한 기타 기능이 있는 집적 회로(IC)입니다.
‘필드 프로그래밍 가능’이라는 문구는 FPGA의 기능이 고정 배선이 아니라 조정 가능함을 나타냅니다. 따라서 사용자는 특정 설계 의도를 충족하기 위해 언제든지 회로의 기능을 수정할 수 있습니다.
FPGA 프로그래밍은 FPGA를 사용하여 컴퓨팅 솔루션을 만드는 프로세스로 설명할 수 있습니다.
프로그래머는 게이트의 아키텍처를 계획, 설계 및 실행하여 사용자의 요구를 충족하는 기능적 회로를 생성해야 합니다. FPGA 프로그래밍의 최종 목표는 전원을 켤 때 특정 출력을 생성하는 하드웨어 회로를 만드는 것입니다.
FPGA의 회로 기판은 실제 회로의 동작을 모방하도록 설계되었습니다. 따라서 이러한 회로 기판은 품질 보증 팀에서 신제품을 테스트하는 데 가장 많이 사용됩니다. FPGA 시스템에는 다양한 하드웨어 요소가 있습니다.
논리 게이트는 기본 수준에서 FPGA의 빌딩 블록 역할을 합니다. 논리 게이트는 입력 및 출력 데이터에 대해 부울 연산을 수행합니다. 한 지점에서 다른 지점으로 신호를 라우팅하는 라우팅 리소스도 있습니다.
FPGA 프로그래밍의 사용 사례
FPGA 프로그래밍은 현대 세계의 개발자들에게 매우 매력적입니다.
다음은 사용 사례 중 일부입니다.
#1. ASIC 설계
개발자는 이제 주문형 집적 회로(ASIC)를 설계할 수 있습니다. ASIC은 비트코인 채굴 세계에서 매우 인기가 있습니다.
FPGA의 설계는 오류를 쉽게 수정할 수 있도록 합니다. FPGA의 장점은 하나를 다른 프로젝트의 모델로 사용할 수 있으므로 장기적으로 시간과 리소스를 절약할 수 있다는 것입니다.
#2. 재생 에너지 부문
지구 온난화 문제에 직면한 세계에서 바람과 태양열로부터 재생 가능한 에너지가 점점 더 대중화되고 있습니다. 송배전(T&D) 변전소는 스마트 그리드가 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 효율적인 전력 네트워크가 필요합니다.
FPGA는 여전히 낮은 전력 소비를 유지하면서 스마트 그리드의 확장성과 성능을 개선하는 데 매우 유용합니다.
#삼. 항공우주 및 방위
비행기는 때때로 가혹한 환경을 통과합니다. 따라서 제조 회사는 기존 ASIC 구현보다 극한 환경에서 더 많은 안정성, 성능 및 수명 주기 요구 사항을 제공하는 내방사선 및 내방사선 FPGA를 생산합니다.
#4. 서버 애플리케이션
데이터 처리 속도에 대한 수요가 날이 갈수록 증가함에 따라 데이터 센터/서버는 중요한 것이 되었습니다. 데이터는 제한된 공간과 시간의 제약 속에서도 실시간으로 처리되어야 합니다.
FPGA는 BRAM을 통해 외부 데이터 저장 요소에 대한 연결을 제공하여 칩에서 데이터 처리를 가속화할 수 있습니다.
FPGA 프로그래밍의 이점
- FPGA는 재구성 가능합니다. FGPA의 유용성을 고려해야 합니다. 하나를 구성하고 다른 응용 프로그램에서 사용하도록 재구성할 수 있습니다.
- FGPA는 수동 개입이 덜 필요합니다. 이 소프트웨어는 FGPA 환경에서 라우팅, 타이밍 및 배치 작업을 처리합니다. 이러한 작업은 수동으로 처리할 경우 시간이 많이 걸리고 복잡할 수 있습니다.
- FPGA는 빈 캔버스와 같습니다. 미리 정의된 기능이 있는 기존 ASIC와 달리 FPGA는 다양한 사용 사례에 맞게 다시 프로그래밍할 수 있습니다. 따라서 엔지니어는 HDL(Hardware Design Language)을 사용하여 이러한 시스템을 다양한 사용 사례에 맞게 프로그래밍할 수 있습니다.
- 프로토타이핑. ASIC은 제조 비용이 많이 들고 간단한 실수로 인해 비용이 많이 들 수 있습니다. ASIC을 시장에 출시하기 전에 시스템이 작동하고 설계된 목표를 충족하는지 확인하는 것이 중요합니다. FPGA는 재프로그래밍이 가능하므로 올바른 디자인을 얻을 때까지 실행을 테스트할 수 있습니다.
FPGA 프로그래밍 방법
FPGA를 실행하는 데 사용되는 설계는 주로 SystemVerilog, Verilog 및 VHDL과 같은 하드웨어 설명 언어(HDL)로 코딩됩니다.
#1. 베릴로그
Verilog는 몇 줄의 코드 내에서 FPGA를 프로그래밍하려는 경우 이상적입니다. 이 언어는 하드웨어 아키텍처용으로 설계되었지만 C와 비슷합니다. Verilog는 HDL을 보다 유연하고 견고하게 만들기 위해 만들어졌습니다.
#2. 시스템Verilog
SystemVerilog는 Verilog의 확장으로 만들어졌습니다. 하드웨어 검증 및 하드웨어 설명 언어입니다. 이 언어를 사용하면 하드웨어 패턴을 설명하고 디지털 코드로 변환한 다음 FPGA 시스템에 업로드하여 지정된 작업을 수행할 수 있습니다.
#삼. VHDL
VHDL은 Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language의 약자입니다. VHDL을 사용하면 FPGA의 하드웨어를 설명할 수 있으므로 사용자가 실제 하드웨어로 인코딩하기 전에 모델링하고 시뮬레이션할 수 있습니다.
VHDL로 프로그래밍하면 최종 인코딩 전에 사용자가 수정할 수 있는 회로의 잠재적인 오류를 쉽게 확인할 수 있습니다. VHDL을 사용하면 사용자가 구조화된 코드를 작성할 수 있습니다.
설계가 C의 하위 집합에서 수행되고 컴파일러가 코드를 Verilog 코드로 변환하는 HLS(High-Level Synthesis)는 FPGA를 프로그래밍하려는 개발자에게 인기가 있습니다.
따라서 개발자는 통합 소프트웨어 플랫폼을 통해 FPGA를 설계하는 데 익숙한 언어를 사용할 수 있습니다.
#4. 파이썬
이 다목적 프로그래밍 언어는 FPGA를 프로그래밍하는 데 사용할 수 있습니다. 이를 달성하기 위해 Python은 AMD 플랫폼과 쉽게 작업할 수 있는 오픈 소스 프로젝트인 PYNQ를 사용합니다.
#5. C 및 C++
C 기반 언어는 HLS(High-Level Synthesis)로 인해 FPGA 설계에 이상적입니다. AMD Vivado™ HLS 컴파일러는 C 기반 프로그램을 최적화하는 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 여전히 초고속 컴파일을 달성하면서 저수준 하드웨어 프로그래밍의 필요성을 제거합니다.
Python, C 또는 C++와 같은 일반 프로그래밍 언어로 작성된 코드는 합성 도구를 통해 합성되고 독점 상호 연결 설명으로 변환됩니다.
상호 연결 설명을 포함하는 결과 파일을 비트스트림이라고 합니다. 비트스트림은 FPGA를 구성하는 방법(FPGA의 상호 연결 매트릭스를 통해 플립플롭, 게이트 및 다양한 디지털 회로 요소를 연결하는 방법)을 설명합니다.
FPGA에는 비트스트림 파일을 읽고 그에 따라 FPGA를 구성하는 내장 구성이 있습니다. 구성 회로는 병렬 플래시 메모리, JTAG 및 직렬 플래시 메모리와 같은 다양한 접근 방식을 통해 비트스트림 파일을 읽을 수 있습니다.
FPGA 보드 제조업체는 개발자가 시스템을 구성/프로그래밍하는 데 사용하는 소프트웨어/명령을 제공합니다.
대부분의 FPGA 시스템은 가능한 한 여러 번 다시 프로그래밍할 수 있습니다. 유일한 제한은 이러한 시스템이 마모, 온도 또는 고전압과 같은 사양을 벗어난 조건으로 인해 손상되는 경우입니다.
이러한 학습 리소스를 통해 FPGA 프로그래밍에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.
학습 리소스
#1. 초보자를 위한 FPGA 프로그래밍
이 책은 SystemVerilog를 사용하는 FPGA 프로그래밍의 세계를 소개합니다. 교육 방식은 키보드 및 계산기와 같은 실제 응용 프로그램을 개발하는 프로젝트 기반입니다.
이 책은 SystemVerilog RTL 작성 방법을 살펴보기 전에 FPGA 아키텍처를 소개합니다. 이 책은 또한 컴퓨터 수학의 기초, 파이프라이닝 및 병렬 처리를 소개합니다. 이 책은 또한 PS/2와의 AXI 및 키보드 인터페이스와 같은 고급 주제에 대해서도 다룹니다.
이 책은 FPGA 및 SystemVerilog 프로그래밍을 배우려는 프로그래머, 엔지니어 및 임베디드 시스템 개발자에게 이상적입니다. 이 리소스는 실제 프로젝트를 만드는 실습 경험을 원하는 FPGA 설계자에게도 적합합니다.
#2. 소프트웨어 프로그래머용 FPGA
이 책은 소프트웨어 엔지니어에게 FPGA 및 재구성 가능한 기술의 세계를 소개합니다. 이 책은 FPGA와 그 프로그래밍 모델을 소개하는 것으로 시작합니다. FPGA가 저수준 하드웨어 설계 프로세스 없이 다양한 응용 프로그램을 구현하는 방법을 배우려는 경우에도 사용할 수 있는 책입니다.
이 책은 소프트웨어 엔지니어의 관점에서 FPGA에 적합한 문제와 솔루션 구현 방법에 대한 현실적인 감각을 제공합니다. 이 책의 사용자 중심 접근 방식은 FPGA 기술이 적용되는 위치와 방법을 쉽게 이해할 수 있도록 합니다. 이 책의 대상 독자는 소프트웨어 설계자와 FPGA 설계 엔지니어입니다.
#삼. FPGA 입문: Metal 프로그래밍
이 책은 독자들에게 BeMicro MAX 10을 사용하여 Knight Rider의 온도 센서, 모션 센서, 온도 센서 및 KITT 자동차 디스플레이를 구축하는 방법을 알려줍니다. 이 책은 초보자에게 친숙하며 프로그래밍 기술이나 전자 공학 학위가 없는 사람들에게 적합합니다.
이 책은 FPGA를 소개하고 마이크로컨트롤러 또는 ASIC과의 차이점을 설명합니다. 또한 도구 체인을 설정하고 VHDL을 사용하여 FPGA를 프로그래밍하는 방법을 소개하는 리소스이기도 합니다. 이 책은 FPGA 세계에 대한 실습 소개를 원하는 전자 제품 및 Raspberry Pi 애호가에게 이상적입니다.
#4. FPGA 프로그래밍: Verilog 시작하기
Verilog 및 FPGA와 상호 작용한 적이 없는 경우 이 책이 적합합니다. FPGA 프로그래밍이 생소한 경우 시작하기에 좋은 곳입니다. 카운터 및 7세그먼트 디스플레이와 같은 일반적인 샘플은 학습자를 올바른 발로 이끌 것입니다.
이 책은 학습자에게 Verilog를 소개하고 VGA와 같은 다양한 중간 예제를 제공합니다. Verilog 및 FPGA 지식이 이미 있는 경우 이 리소스가 적합하지 않을 수 있습니다. 이 책은 Kindle 및 Paperback 버전으로 제공됩니다.
결론
FPGA는 때때로 지연 시간이 짧은 딥 러닝 애플리케이션에서 GPU보다 더 나은 성능을 발휘할 수 있습니다. FPGA 프로그래밍은 FPGA가 다른 많은 응용 분야 중에서도 가전 제품, 산업 자동화 및 군사 응용 분야에 사용될 수 있으므로 필수 기술입니다. FPGA는 여전히 진화하고 있으며 더 많은 사용 사례와 더 나은 성능을 위해 미세 조정되는 것을 기다릴 수 밖에 없습니다.