FPGA

Inhaltsverzeichnis

Was ist FPGA?

Ein Field-Programmable-Gate-Array (sinngemäß eine im Feld – also beim Kunden – programmierbare Gatter Anordnung) ist eine Art von integrierten Schaltkreisen. Im Gegensatz zum herkömmlichen integrierten Schaltkreis (IC) kann ein FPGA nach der Herstellung programmiert werden, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen.

FPGA Funktionsweise

Ein FPGA besteht aus einer großen Anzahl von logischen Elementen, sogenannten „Gates“, die miteinander verbunden sind, um eine Schaltung zu bilden. Die Verbindungen zwischen den Gates können durch die Programmierung des FPGA geändert werden, um die Schaltungsfunktion zu ändern.

Die Programmierung eines FPGA erfolgt durch das Schreiben eines Hardware-Designs in einer speziellen Sprache, wie VHDL oder Verilog. Dieses Design wird dann in ein Bitstream-Format übersetzt, das auf den FPGA geladen wird und die Verbindungen zwischen den Gates festlegt.

Gerne unterstützen wir Sie bei der Entwicklung eines funktionalen FPGA-Designs.

FPGA Platine von HEINEN Elektronik
Ansicht eines FPGAs auf einem PCB

Auf diese Weise ermöglicht ein FPGA die Erstellung von benutzerdefinierten digitalen Schaltungen, welche auf die spezifischen Anforderungen einer Anwendung zugeschnitten sind. Das macht FPGA zu einem vielseitigen und leistungsfähigen Werkzeug in Bereichen wie der Automatisierung, der Signalverarbeitung und der Telekommunikation.

Welche Vorteile haben Field-Programmable-Gate-Arrays?

Das Besondere bei FPGAs im Vergleich zu herkömmlichen ICs ist, dass die Logikfunktionen und damit die Abläufe frei programmierbar sind. Das bringt den Vorteil mit sich, dass kostengünstig individuelle Schaltkreise entwickelt werden können, die sich auch im Nachhinein noch durch die Programmierung anpassen lassen. Diese Besonderheit bringt zahlreiche Vorteile mit sich:

  • Flexibilität: Im Gegensatz zu herkömmlichen ICs, die eine festgelegte Funktion haben, können FPGAs nach der Herstellung programmiert werden, um eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen. Das ermöglicht eine höhere Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an die Bedürfnisse von Anwendungen.
  • Leistung: FPGAs sind in der Regel schneller und energieeffizienter als herkömmliche integrierte Schaltkreise. Das liegt daran, dass FPGAs speziell für die Verarbeitung von digitalen Signalen entwickelt wurden und ihre Architektur auf die Ausführung von parallelen Operationen optimiert ist.
  • Skalierbarkeit: FPGAs sind skalierbar, was bedeutet, dass sie in der Lage sind, je nach Bedarf skaliert zu werden. Das macht sie ideal für Anwendungen, bei denen es wichtig ist, eine bestimmte Leistung oder Funktion zu erfüllen, ohne dass teure spezialisierte Hardware erforderlich ist.
  • Schnellere Prototypenerstellung: Da FPGAs nach der Herstellung programmiert werden können, können Entwickler schnell Prototypen erstellen, indem sie ihre Schaltungen auf einem FPGA programmieren. Dadurch kann die Entwicklungszeit verkürzt und die Prototypenentwicklung beschleunigt werden.

Wo finden FPGAs Anwendung?

Anwendung finden die hochkomplexen FPGAs in allen Bereichen der Digitaltechnik, bei denen es auf schnelle Signalverarbeitung ankommt, z.B. beim Implementieren intelligenter Schnittstellenfunktionen, Hochleistungsrechnern, künstlicher Intelligenz und maschinellem Learning.

Roboterarm in Fabrik
FPGAs werden z.B. in der industriellen Automatisierung eingesetzt

Genannt seien hier einige Anwendungsbeispiele:

  • Signalverarbeitung: FPGAs werden in Bild-, Video- und Audioverarbeitung, Mustererkennung und maschinellem Sehen eingesetzt.
  • Industrielle Automatisierung: FPGAs finden z.B. im IIOT-Bereich Anwendung für die Datenanalyse, Steuerungsfunktionen und Sensorverarbeitung.
  • IT-Sicherheit: FPGAs werden für die Implementierung von Sicherheitsfunktionen verwendet, wie zum Beispiel sichere Boot- und Code-Authentifizierung, um die Integrität von Systemen und Anwendungen zu gewährleisten.