Defalarca Programlanabilir Devre Sistemi FPGA Nedir, Nerelerde Kullanılır? Avantajları ve Dezavantajları

Tıpkı bir işlemci gibi çalışan ancak tekrar tekrar programlanabilir olduğu için kullanıcılarına pek çok konuda önemli avantajlar sağlayan FPGA, son yıllarda bilgisayar dünyasında en sık kullanılan devre biçimidir. Gelin FPGA nedir, ne işe yarar, nerelerde kullanılır gibi sorular üzerinden bu donanımı biraz daha yakından tanıyalım.

Çoğu bilgisayar standart bir donanıma sahiptir ve kullanıcılar, ihtiyaçlarına uygun olarak yeni donanımlar alır ya da var olan donanımı değiştirirler. Bu durum elbette sık sık yaşandığı zaman büyük sorunlara neden olur. FPGA sistemi tam bu noktada devreye giriyor. FPGA bir işlemci gibi çalışıyor ancak kullanıcı tarafından tekrar tekrar programlanabildiği için pek çok önemli avantaj sağlıyor.

FPGA devrelerinin kullanıcı tarafından programlanabiliyor olmasının en büyük avantajı elbette parasaldır. Bunun yanı sıra tekrar tekrar, farklı amaçlarla kullanılabildiği için son derece uzun ömürlüdür. Yani bir FPGA devresi alıp, uzun yıllar performansından ödün vermeden kullanabilirsiniz. Gelin FPGA nedir, ne işe yarar, nerelerde kullanılır gibi sorular üzerinden bu donanımı biraz daha yakından tanıyalım. 

FPGA nedir?

Field Programmable Gate Array, kısaca FPGA, Türkçesi ile Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri; en basit tanımıyla, tekrar programlanabilen tümleşik devrelerdir. Belirli mantık blokları ve bu mantık bloklarını birbirine bağlayan ara bağlantılardan oluşur. Kullanım alanı son derece geniştir. 

FPGA ne işe yarar?

FPGA devresinin temel amacı, kullanıcı tarafından ihtiyaç duyulan mantık işlevlerini yerine getirmektir. FPGA devresinde bulunan her bir mantık bloğu, ihtiyaç duyulan işleve göre yeniden programlanabilir. Tam olarak ihtiyaç duyulan işleve göre programlanabilen FPGA sayesinde çok daha karmaşık yapıya sahip olan diğer devre elemanları çok daha işlevsel olarak çalışırlar.

FPGA temel olarak veri giriş ve çıkışı prensibiyle çalışır. Giren veri işlenir ve ihtiyaç duyulan yapıda çıkar. Örneğin, FPGA devrenizin yalnızca 20 bit veri işlemesini istiyorsanız bu işlem emri üzerinden yeniden programlama yapabilirsiniz. Sonuç olarak yalnızca istediğiniz kadar çalışan devre, çok daha güçlü bir performans gösterir. Bu performans sayesinde diğer donanımların da işi kolaylaşır. 

FPGA nerelerde kullanılır?

• Savunma teknolojileri
• Kripto para madenciliği
• Uzay teknolojileri
• Sayısal işaret işleme sistemleri
• Tıbbi görüntüleme teknolojileri
• Otomotiv teknolojileri

FPGA devrelerinin en yaygın kullanıldığı alanlar bunlardır ancak yalnızca bunlar değildir. İşlevsel kullanım özellikleri sayesinde FPGA devreleri, genel olarak paralel işlemlerin yapıldığı tüm teknoloji ve sistemlerde kullanılmaktadır. Üstelik düşük maliyetli olması ve esnek kullanım yapısı sayesinde her alanda kendine yer bulmaktadır.

FPGA nasıl programlanır?

FPGA gibi karmaşık bir devre sisteminin nasıl programlanacağını elbette birkaç basit adımda anlatamayız. Yazılım ve bilgisayar mühendisleri tarafından yapılan bu işlem son derece hassas düzenlemeler gerektirir. Bu düzenlemeler sırasında FPGA devresine uygun diller ile yeniden programlama yapılır.

FPGA programlaması sırasında en yaygın kullanılan diller VHDL programlama dili ve Verilog donanım tanımlama dilidir. Verilog C diline, VHDL ise Pascal diline benzer. VHDL programlama dili, FPGA devrelerinin temel yapısını düzenlemek için kullanılır. Verilog ise programlama bilmeyen kişilerin bile FPGA devreleri üzerinde düzenleme yapmasına imkan sağlar. Yine de uzman olmayan kişiler için epey karmaşık bir sistemdir.

FPGA avantajları:

• Kullanım süresi uzundur.
• Kullanıcılar tarafından güncellenebilir.
• Geliştirme süreci hızlıdır.
• Sistemlerin çok daha hızlı ve verimli işlemesini sağlar.
• Yazılım sürecini hızlandırır.
• En düşük gecikmeyi sağladığı için gerçek zamanlı uygulamalar için idealdir.
• Paralel veri işlemek için idealdir.
• Yeniden programlanabildiği için ASIC’e göre çok daha avantajlıdır.
• Daha küçük bir pano alanı gerektirdiği için enerji verimliliği sağlar.
• CPLD’ye göre çok daha esnektir.
• Geliştirme maliyeti ASIC’e göre çok daha düşüktür.

Kullanıcı yorumlarına ve uzman görüşlerine göre FPGA devrelerinin öne çıkan avantajlarından bazıları bu şekilde. Avantajlar listesine farklı maddeler eklemek mümkün çünkü bu tür olumlu ve olumsuz yorumlar, kullanıcı alışkanlıklarına göre değişiklik göstermektedir. 

FPGA dezavantajları:

• Sık sık yeniden programlandığı zaman enerji verimliliği ve performansı düşer.
• Karmaşık ve zor bir yapıya sahiptir.
• Yeni ara bağlantılar ekledikçe gecikme süresi artar.
• Açılış yapılandırması için harici cihaz kullanır.
• CPLD ve ASIC’e göre başlangıç maliyeti yüksektir. 

Kullanıcı yorumlarına ve uzman görüşlerine göre FPGA devrelerinin öne çıkan dezavantajlarından bazıları bu şekilde. Dezavantajlar listesine farklı maddeler eklemek mümkün çünkü bu tür olumlu ve olumsuz yorumlar, kullanıcı alışkanlıklarına göre değişiklik göstermektedir.