آشنایی با FPGA – تفاوت FPGA با پردازنده‌ (CPU)

FPGA) Field Programmable Gate Arrays) و پردازنده‌ها (CPU) از رایج‌ترین ابزارهای محاسباتی در الکترونیک مدرن هستند. هر دو توانایی انجام محاسبات پیچیده را دارند؛ اما از نظر معماری و عملکرد تفاوت‌های چشمگیری دارند.

در این مقاله، تفاوت‌های اصلی میان FPGAها و پردازنده‌ها بررسی شده و نقاط قوت و ضعف هر کدام بیان می‌شود.

تعریف FPGA

FPGA نوعی تراشه‌ی قابل پروگرام است که پس از تولید نیز می‌توان آن را دوباره پروگرام کرد. این تراشه‌ها از مجموعه‌ای از بلوک‌های منطقی و مسیرهای اتصال قابل پروگرام تشکیل شده‌اند.

FPGAها قادر به انجام انواع عملکردهای دیجیتال مانند پردازش سیگنال و رمزنگاری هستند و در صنایع مختلف مانند هوافضا، خودرو، مخابرات و لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می‌شوند.

از ویژگی‌های اصلی آن‌ها می‌توان به کارایی بالا، تأخیر کم و مصرف توان پایین اشاره کرد.

تعریف پردازنده (CPU)

پردازنده که با نام CPU نیز شناخته می‌شود، وظیفه اجرای دستورالعمل‌ها و انجام عملیات منطقی و ریاضی را بر عهده دارد. این عنصر، “مغز” رایانه است و وظایفی مانند مدیریت حافظه و کنترل ورودی/خروجی را انجام می‌دهد.

پردازنده‌ها برای محاسبات عمومی طراحی شده‌اند و در دستگاه‌هایی مانند رایانه‌های شخصی، تلفن‌های هوشمند، و سرورها به کار می‌روند.

این پردازنده‌ها برای کاربردهایی که نیاز به سرعت بالا دارند، مثل شبیه‌سازی‌های علمی یا تحلیل داده، مناسب هستند.

مقایسه معماری

معماری FPGA

• شامل مجموعه‌ای از بلوک‌های منطقی قابل‌پروگرام و مسیرهای قابل‌پیکربندی است.
• می‌توان آن را برای وظایف خاص پیکربندی کرد.
• مزیت اصلی آن انعطاف‌پذیری بالا و امکان تغییر وظیفه با تغییر پیکربندی است.
• از نظر مصرف انرژی بهینه و در انجام هم‌زمان (parallel) وظایف قدرتمند است.

معماری پردازنده:

• شامل CPU، حافظه و واسط‌های ورودی/خروجی است.
• وظایف را به صورت ترتیبی اجرا می‌کند.
• برای انجام انواع وظایف مناسب است، اما برای وظایف خاص بهینه نیست.
• نسبت به FPGA توان مصرفی بالاتری دارد.

مقایسه عملکرد

سرعت پردازش:

• FPGA به دلیل امکان پردازش موازی سریع‌تر است.
• پردازنده‌ها وظایف را به صورت ترتیبی اجرا می‌کنند.

بهره‌وری انرژی:

• FPGAها برای انجام وظایف خاص بهینه‌سازی شده‌اند و توان کمتری مصرف می‌کنند.
• پردازنده‌ها به دلیل اجرای وظایف متنوع انرژی بیشتری مصرف می‌کنند.

انعطاف‌پذیری:

• پردازنده‌ها در برنامه‌نویسی آسان‌تر و قابل‌ارتقاء از طریق نرم‌افزار هستند.
• FPGAها نیاز به پیکربندی سخت‌افزاری و دانش تخصصی دارند.

کاربردها

کاربردهای FPGA:

• پردازش سیگنال و تصویر دیجیتال
• شبکه و مخابرات با سرعت بالا
• سیستم‌های نیازمند سفارشی‌سازی بالا مانند صنایع هوافضا و دفاعی

کاربردهای پردازنده:

• رایانه‌های شخصی، موبایل و سرورها
• سیستم‌های بلادرنگ مانند رباتیک و کنترل صنعتی
• الگوریتم‌های نرم‌افزاری پیچیده و شبکه‌های تعریف‌شده با نرم‌افزار

هزینه و توسعه

هزینه سخت‌افزاری:

• FPGAها معمولاً گران‌تر هستند.
• برنامه‌نویسی آن‌ها نیاز به ابزارها و دانش خاص دارد.
• پردازنده‌ها ارزان‌تر هستند و با زبان‌های سطح بالا برنامه‌نویسی می‌شوند.

پیچیدگی توسعه:

• توسعه برای FPGA پیچیده‌تر، ولی برای کاربردهای خاص مؤثرتر است.
• پردازنده‌ها توسعه ساده‌تری دارند و برای وظایف متنوع قابل‌استفاده هستند.

سؤالات متداول

1. تفاوت عملکرد بین FPGA و CPU چیست؟

CPU سریع‌تر است، اما FPGA در انجام وظایف خاص با بهره‌وری بیشتر عمل می‌کند.

2. FPGA بهتر است یا GPU برای یادگیری عمیق؟

GPUها در عملیات ماتریسی قوی‌تر هستند، اما FPGAها مصرف انرژی پایین‌تر و قابلیت سفارشی‌سازی بالاتری دارند.

3. آیا FPGA می‌تواند جایگزین CPU شود؟

در کاربردهای خاص بله، اما برای وظایف عمومی خیر.

4. تفاوت FPGA با ASIC چیست؟

FPGA قابل پروگرام و انعطاف‌پذیر است، درحالی‌که ASIC برای یک کاربرد خاص بهینه شده و تغییرناپذیر است.

5. تأخیر (Latency) پردازش در FPGA چگونه است؟

در برخی کاربردها بسیار کمتر از CPU است، ولی در موارد دیگر ممکن است بیشتر باشد.

6. چه زمانی FPGA بهتر از میکروکنترلر است؟

در کاربردهایی که نیاز به پردازش سنگین، انعطاف‌پذیری و سرعت بالا وجود دارد (مثل یادگیری ماشین یا پردازش تصویر).

منبع:

https://fpgainsights.com/fpga/fpga-vs-processor/#:~:text=In%20summary%2C%20FPGAs%20and%20processors,perform%20a%20variety%20of%20tasks