دوره آموزش FPGA مقدماتی

FPGA یا Field Programmable Gate Array یک مدار مجتمع است که می ­توان آن را پس از اتمام فرآیند تولید، مطابق نیاز طراح برنامه ­ریزی نمود و روابط منطقی بین پایه ­های ورودی و خروجی را تغییر داد. این تراشه­ ها نیمه رساناهایی هستند که از تعداد زیادی جزء کوچک الکترونیکی یا سلول  به نام بلوک منطقی (Logic Block) ساخته شده ­اند. این سلول از نظر منطقی چیزی بین یک مدار الکترونیکی و یک میکروکنترلر است. در واقع، FPGA یک تراشه قابل برنامه ریزی است. این تراشه ها برای توسعه سخت افزارهای دیجیتالی پیچیده و اجتناب از ساخت بردهایی با تراشه­ های گسسته به وجود آمده ­اند.

با استفاده از تراشه­ های FPGA بردهایی که قبلاً با تعداد زیادی از تراشه های دیجیتال ساخته می­ شدند، در یک تراشه FPGA با سرعت بالاتر و امکان به روزرسانی کردن سخت افزار پیاده سازی می ­شوند.

هدف از دوره آموزشی FPGA چیست؟

FPGA ها برای ایجاد سیستم هایی با انعطاف پذیری بالا مورد استفاده قرار می ­گیرند. FPGAها با ارائه یک معماری برنامه پذیر، قیمت پایین و زمان راه­ اندازی اندک و مهم ­تر از همه، ایجاد امکان پردازش موازی مشکلات متعدد مهندسین و طراحان مدارات دیجیتال را رفع نموده ­اند.

از دیگر مزایای استفاده از FPGA ها در طراحی­ ها، می­ توان به سرعت بالای پردازش و فرکانس کاری بسیار بالای آن­ها اشاره کرد. FPGA ها در حوزه های گسترده ­ای از جمله پردازش سیگنال، پردازش تصویر، فیلترهای دیجیتال، سیستم ­های انتقال دیتاهای دیجیتال، سیستم­ های مخابراتی و سیستم­ های مختلف کنترلی به کار برده می­ شوند.

هدف از دوره آموزشی FPGA مقدماتی آشنایی با معماری داخلی FPGAها، نحوه برنامه ریزی و استفاده از آن ­ها، بهینه سازی برنامه­ ها، شبیه­ سازی برنامه­ ها، معرفی ابزارهای مورد استفاده جهت کار با تراشه­ های FPGA و استفاده از تراشه ­ها در پروژه های جدی با نرخ بالا و حجم پردازش سنگین است.

دوره آموزش FPGA مقدماتی مناسب چه کسانی است؟

این دوره­ برای کسانی که علاقمند به کار در حوزه ­های الکترونیکی و فضاها ی مرتبط آن در ایران و یا خارج از کشور هستند، مناسب است. همچنین دانشجویانی که در زمینه ­های تحقیقاتی مشغول هستند، می ­توانند از مفاهیم گفته شده استفاده نمایند.

به­ طورکلی، یکی از قدرتمندترین تراشه هایی که امروزه در کاربردهای مختلف الکترونیکی، مخابراتی و کنترل مورد استفاده شرکت­ های بزرگ دنیا و ایران می باشد ، تراشه های FPGA است که با فراهم آوردن بسترهایی برای پردازش سیگنال، و با بهبود قابلیت­ های پردازنده ها و … در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار گرفته اند.

FPGA چیست؟

FPGA مخفف Field-Programmable Gate Array است و می تواند به عنوان یک تراشه سخت افزاری تعریف شود که برای انجام عملیات منطقی استفاده می شود. FPGA  از یک شبکه یکپارچه یا مجموعه ای از بلوک های منطقی که در یک تراشه قرار گرفته اند، تشکیل شده اند.

که در آن مدار ها گیت های منطقی قابل برنامه ریزی هستند. FPGA ها از بلوک های منطقی قابل تنظیم جداگانه یا CLB تشکیل شده اند که از طریق اتصالات قابل برنامه ریزی به هم متصل می شوند.همانطور که از نام فن آوری نیمه هادی نشان داده شده است، مزایای FPGA به دلیل توانایی آن ها برای برنامه ریزی در هنگام پیاده سازی در زمینه در مقابل انواع دیگر تراشه های نیمه هادی مانند ASIC شناخته شده است.

مزایای آموزش FPGA مقدماتی

برای بیان مزایای آموزش FPGA مقدماتی مکتبخونه لازم است نمونه هایی را مثال بزنیم. برای مثال یک ASIC یا یک مدار مجتمع خاص برنامه برای انجام یک کار خاص طراحی شده است. به این ترتیب، تنها یک عملکرد را انجام می دهد و نمی توان آن را به چیز دیگری تغییر داد، همچنین نمی توان آن را پاک کرد و بازنویسی کرد تا دوباره از تراشه استفاده شود.

از سوی دیگر، یک FPGA را می توان دوباره برنامه ریزی کرد و دوباره مورد استفاده قرار داد و در مورد سفارشی سازی و شخصی سازی بسیار انعطاف پذیرتر است، به خصوص زمانی که در این زمینه مستقر شود. این امر باعث می شود FPGA نسبت به ASIC در برنامه های خاص بسیار مناسب تر و ارجح تر باشد.

با کمک یک FPGA می توانید برنامه ای بنویسید که بر روی یک تراشه سیلیکونی بارگذاری و عملکرد ها آن اجرا شود. اگر می خواهید یک تراشه را بهینه کنید تا با حجم کاری خاصی متناسب باشد، می توانید از یک تراشه FPGA استفاده کنید.

FPGA ها می توانند با نیاز های مدرن از پیچیدگی بالا و دستگاه های با کارایی بالا خود را مطابقت دهند. آن ها همچنین چگالی منطقی بیشتر، پردازنده های تعبیه شده، بلوک های DSP و کلاک را از دیگر ویژگی های برجسته ارائه می دهند.

FPGA برای سیستم هایی ایده آل است که در آن به روزرسانی های مداوم الزامی است. اگر یک پردازنده نیاز به تغییراتی داشته باشد، تراشه های FPGA می توانند در صورت نصب آن ها را برای ایجاد این تغییرات مورد استفاده قرار دهند و نیاز به خرید سخت افزار جدید را از بین ببرند.

اگر از تراشه های FPGA در خودرو ها استفاده می شود، می توان با کمک این تراشه ها حتی پس از فروختن آن ها را به روزرسانی کرد. این تراشه ها همچنین اغلب توسط مشاغل سازمانی استفاده می شوند، زیرا می توان آن ها را با استفاده از مسیر داده ای که با تجزیه و تحلیل داده ها، استنتاج تصویر و حتی فشرده سازی مطابقت دارد، دوباره برنامه ریزی کرد.

برنامه های کاربردی آموزش FPGA مقدماتی

تراشه های FPGA هم در ارتباطات سیمی و هم در ارتباطات بی سیم استفاده می شوند. در ارتباطات سیمی در بک پلن های سریال و ارتباطات بی سیم برای راه حل های شبکه و آدرس دهی استاندارد های وایمکس و ۵G/۶G و HSDPA استفاده می شود. همچنین FPGA در بخش زیرساخت استفاده می شود و به خرد کردن داده ها با سرعت بالا کمک می کند.

در زمینه کاربرد های پزشکی نیز، از تراشه های FPGA برای اهداف تشخیصی و نظارتی استفاده می شود. آن ها در تجهیزات پزشکی برای پردازش داده ها استفاده می شوند.در زمینه هوافضا و کاربرد های دفاعی، کاربرد تراشه های FPGA را می توان در برای پردازش تصویر، پیکربندی مجدد جزئی برای SDR ها و همچنین برای تولید شکل موج جستجو کرد.

FPGA برای بهبود زمان عرضه به بازار محصولات مختلف تکنولوژیکی و کاهش هزینه های کلی مهندسی که در تعدادی از فرآیند ها از جمله اتوماسیون صنعتی و نظارت انجام می شود، از دیگر کاربرد های FPGA ها است.از آنجایی که FPGA برای پیکربندی مجدد و هماهنگی با تغییرات استفاده می شود، هزینه نگهداری طولانی مدت لازم برای یک سیستم را کاهش می دهد.

از جمله اصلی ترین کابرد های FPGA ها می توان به توسعه شبکه های عصبی عمیق یا DNN اشاره داشت که در نهایت منجر به تولید و نگهداری سیستم های هوشمند مصنوعی می شود. FPGA های با کارایی بالا در مقایسه با GPU ها می توانند حتی بیشتر به یک برنامه کاربردی کمک کنند و بنابراین برای اهداف توسعه فناوری یادگیری ماشین ترجیح داده می شوند. علاوه بر این موارد فناوری FPGA به شرکت های ASIC فرصت نمونه سازی سریع را می دهد.

به طور مثال در زمینه کاربرد های پزشکی، از تراشه های FPGA برای اهداف تشخیصی و نظارتی استفاده می شود. آن ها در تجهیزات پزشکی برای پردازش داده ها استفاده می شوند. FPGA ها در MRI، CT اسکن، سونوگرافی، سیستم های مانیتورینگ بیمار ECG استفاده می شوند.

آموزش FPGA مقدماتی برای چه کسانی مناسب است؟

FPGA ها همچنین برای مشاغل سازمانی مفید هستند زیرا می توانند به صورت پویا با یک مسیر داده که دقیقاً با یک حجم کاری خاص مطابقت دارد، مانند تجزیه و تحلیل داده، استنتاج تصویر، رمزگذاری یا فشرده سازی مجدد برنامه ریزی شوند. FPGA های بهینه سازی شده نیز نسبت به اجرای بار های کاری معادل روی یک CPU از نظر مصرف انرژی کارآمدتر هستند.

این FPGA ترکیبی از تطبیق پذیری، کارایی و عملکرد، یک بسته جذاب برای کسب و کار های مدرنی ارائه می دهند که به دنبال پردازش داده های بیشتر با هزینه کل مالکیت کمتر  (TCO) هستند. پس باید آموزش FPGA مقدماتی را به عنوان امری مناسب برای بهینه سازی فعالیت های مشاغل سازمانی در نظر گرفت.

شرکت در دوره FPGA برای افرادی که علاقه مند به فعالیت در حوزه های دیجیتال و طراحی سخت افزارهای دیجیتالی هستند سودمند خواهد بود و چشم انداز تازه ایی را برای علاقه مندان به فعالیت در حوزه های پیشرفته تر همچون پردازش سیگنال       ( signal processing ) ، رباتیک ، محاسبات حجیم (high performance computing)  Embedded System و … پیش روی علاقه مندان خواهد گشود و بالطبع نوید بخش دور نمایی بهتر و موفقتر در آینده علمی و شغلی آنان خواهد بود.

آینده شغلی دوره FPGA مقدماتی

تراشه های FPGA دارای قدرت و سرعت بالا در انجام محاسبات پیچیده و همچنین توان مصرفی پایین هستند اما به دلیل اینکه مانند میکروکنترلر ها واحدهای جانبی متعددی رادر اختیار کاربر قرارنمی دهند استفاده از آن ها هزینه بر بوده و دارای قیمت بالایی نیز هستند.

معمولادر صنایع و شرکت هایی که به تولید محصولات برق و الکترونیک می پردازند، هزینه تمام شده محصول اولویت بیشتری نسبت به سرعت و کارایی دارد بنابراین از میکروکنترلرهای رایجی چون AVR ، ARM و PIC استفاده می شود.

اما در کاربردهای نظامی همچون مخابرات، هوا فضا و … این سرعت و کارایی سیستم است که حرف اول را می زند و هزینه اهمیت چندانی ندارد. بنابراین این صنایع عمدتا از FPGA استفاده می کنند. پس مسلما این صنایع نیازمند متخصصین با دانش کافی در حوزه FPGA جهت انجام پروژه های مختلف خواهند بود.

البته این بدان معنی نیست که این دو بخش مختلف صرفا از تراشه های های معرفی شده استفاده کنند بلکه هر صنعت و شرکتی با توجه به نیازها و اهداف اصلی خود، بهترین گزینه را انتخاب می کند. بنابراین یادگیری راه اندازی و کار با تمامی تراشه های های متداول و مورد استفاده تمامی صنایع باعث می شود تا یک مهندس با قابلیت های تمامی آنها آشنا شده و در مواقع لزوم بهترین و مناسب ترین گزینه را برای کار انتخاب نماید.