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FPGA

Componentes eletrônicos reprogramáveis apresentam diversas vantagens  

 

Componentes eletrônicos são encontrados nos diversos produtos eletro-eletrônicos que convivemos cotidianamente. Da televisão ao celular, todos os equipamentos possuem esses componentes em seus circuitos. Até há pouco tempo, eles vinham pré-programados pelas indústrias, ou seja, todas as suas funcionalidades eram definidas no ato da fabricação.

Na opinião do gerente de Pesquisa e Desenvolvimento da Macnica DHW, Fernando Souza de Andrade, a tecnologia de chips pré-programados obriga aos projetistas a utilizarem soluções caras ou diversos chips para solucionar problemas específicos, causando aumento da complexidade de hardware que se traduz em custo. “Para ilustrar, imagine um painel de LEDS em que seria necessário um controlador com 25 canais PWM. Qual ASIC (chip pré-programado) poderia solucionar este problema? Para resolver a questão, provavelmente o projetista usaria uma dezena de controladores com alguma sincronização mirabolante entre eles. Com um FPGA bastaria instanciar os 25 PWMs e tudo se resolveria com um único chip.”

Em função das dificuldades impostas pela tecnologia anterior, surgiu no mercado uma nova categoria de hardware reconfigurável, que passou a ter suas funcionalidades definidas de maneira exclusiva pelos usuários – e não mais pelos fabricantes. Hoje em dia, há uma grande diversidade de hardwares reconfiguráveis, com destaque para o FPGA (Field Programmable Gate Array) ouArranjo de Portas Programáveis em Campo, lançado no mercado em 1985.

Na verdade, FPGA são chips de silício reprogramáveis que utilizam blocos lógicos programáveis pré-construídos com recursos de roteamento. Pode-se configurar esses chips para implementar funcionalidades personalizadas de hardware, sem nunca ter que utilizar uma placa de montagem ou ferro de solda.

Ao utilizar a tecnologia FPGA, o usuário desenvolve tarefas de computação digital em software e as compila em um arquivo de configuração ou bitstream que contém informações sobre como os componentes devem ser ligados entre si dentro do chip. Além disso, os FPGAs são totalmente reconfiguráveis e logo assumem um novo ‘comportamento’ quando o usuário recompila uma nova configuração de circuito.

É importante observar que até alguns anos atrás, a tecnologia FPGA só estava disponível para engenheiros com profunda compreensão do projeto de hardware digital. Mas, o surgimento de ferramentas de projeto de alto nível está modificando as regras da programação FPGA, com novas tecnologias que convertem diagramas de blocos gráficos ou mesmo código em C em circuitos de hardware digital.

Atualmente os dispositivos semicondutores FPGA são largamente usados para o processamento de informações digitais. Essa tecnologia continua ganhando impulso, especialmente porque o mercado mundial de FPGA vem crescendo bastante. De acordo com dados do segmento, de US$ 1,9 bilhões em 2005, o volume de negócios saltou para US$ 2,75 bilhões em 2010. Somente no mercado de telecomunicações, espera-se um crescimento de 9,1% até 2016.

 

 

As vantagens do FPGA

 

 

Na opinião do gerente de P&D da Macnica DHW, a tecnologia FPGA apresenta diversas vantagens, que se iniciam pelo desempenho, passam pelo tempo de mercado, confiabilidade, custo e manutenção a longo prazo. “Mesmo nos FPGAs de baixo custo temos alta performance. Comparando com um DSP qualquer, não é difícil obter melhores resultados com o FPGA. Já os de alta performance são superiores às placas gráficas (conhecidas como GPUs). Podemos falar da relação de obsolescência. As famílias de FPGAs costumam ficar disponíveis comercialmente por 20 anos, enquanto alguns ASICS somem do mercado em menos de quatro anos. Por se tratar de hardware, os FPGAs são extremamente precisos e determinísticos, ao contrário de um programa rodando num processador. Os benefícios do hardware configurável são quase incomparáveis com as demais tecnologias”, ressalta.

 

Os chips FPGA demonstram seu excelente desempenho ao se aproveitarem do paralelismo do hardware para exceder o poder dos processadores digitais de sinais (DSPs), quebrando o paradigma de execução sequencial, além de realizar mais processamento por ciclo de clock. Em benchmarks realizados pela empresa Berkeley Design Technology, Inc (BDTI), foi demonstrado como os FPGAs podem oferecer muitas vezes o poder de processamento por dólar de uma solução DSP em algumas aplicações.

A tecnologia FPGA oferece flexibilidade e rapidez na capacidade de prototipagem devido às crescentes preocupações sobre o tempo de colocação de um produto no mercado. O usuário pode testar uma ideia ou conceito e verificar no hardware sem passar pelo longo processo de fabricação de um projeto personalizado com ASIC. Então, pode desenvolver mudanças incrementais e interagir com o projeto de FPGA em poucas horas em vez de meses.

Em termos de custo, a tecnologia FPGA é bastante vantajosa. A engenharia não recorrente (NRE) de despesas em projeto personalizados com ASIC excede em muito comparada às soluções de hardware baseado em FPGA. Com certeza, é fácil justificar o grande investimento inicial em ASICs no caso onde há demanda de milhares de chips OEMs por ano, porém, diversos usuários finais precisam de funcionalidades personalizadas de hardware para seus sistemas em desenvolvimento. A própria natureza do silício programável significa que não há qualquer custo para a fabricação ou um longo prazo para a montagem. Como os requisitos do sistema mudam frequentemente ao longo do tempo, o custo de fazer mudanças incrementais para projetos FPGA é insignificante quando comparado com a grande despesa de reprojetar um ASIC.

Por outro lado, a confiabilidade é um dos aspectos mais destacados da tecnologia FPGA. Enquanto as ferramentas de software fornecem o ambiente de programação, os circuitos FPGA são fáceis de implementar para a execução de uma funcionalidade. Os FPGAs, que não utilizam sistemas operacionais, minimizam as preocupações com a confiabilidade da execução paralela e ao hardware determinístico dedicado a cada tarefa.

A manutenção em longo prazo também é uma grande vantagem da tecnologia FPGA.  Chips FPGA são atualizáveis e não exigem tempo e dinheiro para reprojetar como no ASIC. Protocolos de comunicação digital, por exemplo, têm especificações que podem mudar ao longo do tempo, e interfaces baseadas em ASIC podem causar o surgimento de desafios de compatibilidade e manutenção. Por serem reconfiguráveis, os chips FPGA são capazes de acompanhar as modificações futuras que possam ser necessárias. Conforme um produto ou sistema vai amadurecendo, o usuário pode fazer melhorias funcionais sem gastar tempo reprojetando hardware ou modificando o layout da placa.