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Jul 29, 2023

Was ist ein feldprogrammierbares Gate-Array?

Ernie Smith ist ein ehemaliger Mitarbeiter von BizTech, ein Old-School-Blogger, der sich auf Nebenprojekte spezialisiert hat, und ein Fan der Technikgeschichte, der zum Spaß nach alten Betriebssystemen recherchiert. Wenn es ums Hauptfach geht

Ernie Smith ist ein ehemaliger Mitarbeiter von BizTech, ein Old-School-Blogger, der sich auf Nebenprojekte spezialisiert hat, und ein Fan der Technikgeschichte, der zum Spaß nach alten Betriebssystemen recherchiert.

Wenn es um die wichtigsten Arten von Chips geht, die in Computern verwendet werden, liegt der Schwerpunkt größtenteils auf Zentraleinheiten (CPUs) oder Grafikprozessoren (GPUs). Aber das sind nicht die einzigen Arten von Chips, die das Computererlebnis mitgestalten können: Eine andere Art von Chip namens Field Programmable Gate Array (FPGA) ist eine äußerst flexible Art von integrierten Schaltkreisen, die umprogrammiert werden können.

Diese Technologie gibt es schon seit 40 Jahren, doch in IT-Umgebungen, insbesondere in der Cloud und in Rechenzentren, kommt sie gerade erst richtig in Fahrt.

Ein FPGA ist eine Art integrierter Schaltkreis, der es ermöglicht, die elektronischen Schaltkreise innerhalb des Chips nach Bedarf neu zu erstellen. Der Endbenutzer kann es so programmieren, dass es auf eine bestimmte Art und Weise funktioniert, um einen softwareähnlichen Ansatz zum Aufbau spezieller Schaltkreise zu erreichen.

Das FPGA hat eine lange und reiche Geschichte im Computerbereich. Seine Grundkonzepte stammen aus Vorgängertechnologien wie dem programmierbaren Nur-Lese-Speicher (PROM) aus den 1960er Jahren und dem maskprogrammierbaren Gate-Array, mit dem Motorola und Texas Instruments erstmals in den frühen 1970er Jahren experimentierten. Wie FPGAs können diese Technologien neu programmiert werden. Sie können jedoch nicht dynamisch geändert werden. Viele grundlegende PROMs erlauben beispielsweise nur binäre Änderungen, die über die Hardware aktiviert werden.

Der kommerzielle FPGA-Markt begann in den frühen 1980er Jahren, angeführt von Altera, das 1984 das erste umprogrammierbare Logikgerät entwickelte, und Xilinx, das das erste kommerziell nutzbare FPGA auf den Markt brachte.

Altera und Xilinx hatten eine lange unabhängige Geschichte und waren viele Jahre lang die einzigen Hersteller von FPGA-Geräten. Der Wettbewerb zwischen den beiden Unternehmen trug dazu bei, FPGAs zu einer erfolgreichen Technologie auf dem Markt für eingebettete Systeme zu machen.

Jedes Unternehmen wurde kürzlich von einem der großen CPU-Giganten übernommen: Intel kaufte Altera im Jahr 2015 für 16,7 Milliarden US-Dollar und AMD schloss Anfang 2022 die 50-Milliarden-Dollar-Übernahme von Xilinx ab, die bisher größte Übernahme in der Chipbranche. Diese Akquisitionen wirken sich auf die Rolle aus, die FPGA im zukünftigen Computing spielen wird, auch in Ihrem IT-Stack.

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Stellen Sie sich einen FPGA als eine dynamischere Version eines integrierten Schaltkreises vor, der für speziellere Aufgaben verwaltet werden kann. Anstelle der allgemeinen Aufgaben, die häufig von CPUs oder GPUs übernommen werden, können FPGAs sich an die jeweilige Aufgabe anpassen. Dies kann zu spezielleren Ergebnissen führen, erfordert jedoch eine individuelle Anpassung.

Im Mittelpunkt des FPGA-Konzepts steht ein Gate-Array, eine Art anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), der dazu dient, die Schaltung eines Chips für einen bestimmten Anwendungsfall physisch zu ändern und so einen „semi-custom“-Chip zu erstellen. Das FPGA ersetzt den mechanischen Prozess durch die Verwendung einer Hardwarebeschreibungssprache, einer Art Programmiersprache, die die Verhaltensstruktur des Chips definiert. Fans von Computern und Videospielen der alten Schule nutzen FPGAs, um als Alternative zur Software-Emulation originalgetreue Nachbildungen von Hardware anzubieten, die nicht mehr hergestellt wird.

Ein beliebtes DIY-Projekt namens MiSTer verwendet einen DE-10 Nano, der auf Intels Cyclone V-System auf einem Chip basiert, um die Chips in Vintage-Computern und Videospielkonsolen nachzubilden. Ein weiteres Verkaufsargument ist, dass moderne FPGAs die vollständigen Hardwarefunktionen von Vintage-Systemen wie dem Commodore Amiga oder dem Nintendo Entertainment System dynamisch implementieren können.

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Das FPGA passt in eine breitere Klasse integrierter Schaltkreise, die häufig in eingebetteten Systemen verwendet werden, wie etwa ASICs und Mikrocontroller. Alle drei haben in den letzten Jahren durch den integrierten System-on-a-Chip-Ansatz erhebliche Verbesserungen erfahren. Der Mikrocontroller inspirierte viele der Innovationen, die in ARM-basierten CPUs zu sehen sind, wie sie beispielsweise in Smartphones und Apple-Silizium verwendet werden. Während Mikrocontroller in ähnlichen Bereichen wie ASICs und FPGAs eingesetzt werden können, teilen sie tendenziell mehr DNA mit herkömmlichen CPUs.

FPGA- und ASIC-Chips verzeichneten ähnliche Entwicklungen. Sie wurden beide für spezifische, eng definierte Anwendungsfälle entwickelt. Früher war der ASIC, ein integrierter Schaltkreis in kleinen Stückzahlen, beliebter als der FPGA. Obwohl es bei ASICs in eingebetteten und Serverraum-Anwendungsfällen weiterhin Verbesserungen gibt, sind FPGAs dank ihrer flexiblen Neuprogrammierbarkeit inzwischen zur bevorzugten Technologie geworden. In einem Aufsatz über FPGA stellt Stephen M. Trimberger, IEEE-Fellow von 2011, fest, dass FPGA in seinen Anfangsjahren Schwierigkeiten hatte, mit den Fähigkeiten von ASIC mitzuhalten, sich aber aufgrund seiner Flexibilität schließlich durchsetzte.

„Kosten, Kapazität und Geschwindigkeit waren genau die Attribute, bei denen FPGAs in den 1980er und 1990er Jahren gegenüber ASICs im Nachteil waren. Dennoch gediehen sie“, schreibt er. „Eine enge Fokussierung auf diese Eigenschaften wäre fehlgeleitet, genauso wie die enge Fokussierung der ASIC-Unternehmen auf sie in den 1990er Jahren dazu führte, dass sie FPGAs unterschätzten. Die Programmierbarkeit verschaffte FPGAs trotz ihrer Nachteile einen Vorteil. Dieser Vorteil führte zu einem geringeren Risiko und einem einfacheren Design.“

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Ein Grund dafür, dass FPGAs häufig in technischen Zusammenhängen verwendet werden, liegt darin, dass es sich um eine Art semi-kundenspezifische integrierte Schaltung handelt. Ingenieure können FPGA nutzen, um neuartige Chiptechnologien zu entwickeln. Es ist eine effektive Alternative zu ASICs, da es agiler und anpassungsfähiger ist. FPGAs werden auch in Netzwerkgeräten und in der Telekommunikation eingesetzt.

Dies gilt seit der Entwicklung der Technologie in den 1980er und 1990er Jahren. Auch heute noch werden FPGAs von Unternehmen wie BittWare und Arista häufig in High-End-Netzwerkgeräten eingesetzt, da sie dazu beitragen können, den komplexen Netzwerkverkehr innerhalb eines Unternehmens zu beschleunigen. FPGAs sind auch eine beliebte Wahl für das Internet der Dinge und vernetzte Geräte.

Ein weiterer bemerkenswerter Bereich, in dem FPGAs an Einfluss gewonnen haben, sind Erweiterungskarten, die das Rendern von Videos beschleunigen können. Apples Mac Pro kann die Vorteile einer proprietären FPGA-basierten Erweiterungskarte nutzen, um das Rendern von ProRes-Videodateien zu beschleunigen und so die CPU für andere Verarbeitungsaufgaben freizugeben.

Schließlich können FPGAs in der Arbeit mit künstlicher Intelligenz als Alternative zu GPUs oder ASICs eingesetzt werden. „FPGAs bieten Hardwareanpassung mit integrierter KI und können so programmiert werden, dass sie ein ähnliches Verhalten wie eine GPU oder ein ASIC liefern“, stellt Intel auf seiner Website fest. „Die reprogrammierbare und rekonfigurierbare Natur eines FPGA eignet sich gut für eine sich schnell entwickelnde KI-Landschaft und ermöglicht es Designern, Algorithmen schnell zu testen und schnell auf den Markt zu bringen.“

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FPGAs kommen heute in Rechenzentrumsumgebungen wie der Cloud auf den Markt. Jake Hertz schreibt für die Engineering-Website All About Circuits und stellt fest, dass die Flexibilität von FPGAs in einer Rechenzentrumsumgebung von Vorteil ist. „Anstatt eine Vielzahl verschiedener gehärteter ASICs zu benötigen, kann ein einziges FPGA für verschiedene Anwendungen konfiguriert und neu konfiguriert werden, was die Tür zu einer weiteren Optimierung der Hardwareressourcen öffnet“, schreibt Hertz.

FPGAs können auch als On-Demand-Tools über Cloud-Plattformen verwendet werden. Microsoft investiert stark in FPGAs, nutzt sie als Schlüsselelement seiner Bing-Suchmaschine und bietet Zugriff als Teil seines Azure-Cloud-Angebots.

Microsoft weist auf seiner Website darauf hin, dass FPGAs Anwendungen für maschinelles Lernen verbessern, indem sie die Effizienz eines spezialisierteren ASIC mit der Flexibilität einer CPU oder GPU in Einklang bringen: „Implementierungen neuronaler Verarbeitungseinheiten erfordern keine Stapelverarbeitung; Daher kann die Latenz im Vergleich zu CPU- und GPU-Prozessoren um ein Vielfaches geringer sein.“

Und es gibt noch Potenzial für Wachstum. Ein Bereich, in dem FPGAs in der Zukunft wahrscheinlich einen Einfluss haben werden, ist der Rechenspeicher, eine Art Solid-State-Laufwerk, das über einen integrierten Prozessor, häufig ein FPGA oder eine CPU, verfügt, um einen Teil der Arbeitslast getrennt vom Hauptgerät zu verwalten. Während sich diese Technologie noch im Entstehen befindet, haben Unternehmen wie Dell stark in sie investiert, da sie eine Verbesserung der Verarbeitungszeiten in der Cloud oder im Edge-Computing-Kontext verspricht.

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