В свежем выпуске подкаста «Битовые Маски» ведущие Елена Лепилкина и Антон Афанасьев погрузились в мир системного программирования и проектирования аппаратных решений. Своим экспертным опытом поделился Михаил Коробков — основатель профессионального комьюнити FPGA-Systems, автор одноименного журнала и ведущий инженер по разработке СнК в компании YADRO.
Мы подготовили обзор ключевых тезисов беседы о настоящем и будущем ПЛИС. Ознакомиться с полной версией интервью можно в видео- и аудиоформате.
Михаил Коробков начал свой путь в Рязанском государственном радиотехническом университете, где осваивал ПЛИС Altera, программируя на языке AHDL для чипов серии EPF 10K. Его первым серьезным проектом стал гигагерцовый коммутатор для управления антенными решетками. За плечами эксперта — работа в НИИ космического приборостроения, опыт в тренинг-центре Xilinx, а также в таких гигантах, как Siemens и Menta eFPGA.
ПЛИС повсюду: от бытовой электроники до марсоходов
ПЛИС (Программируемая логическая интегральная схема) — это универсальный полупроводниковый инструмент, востребованный в самых разных областях: от цифровой обработки сигналов до прототипирования сложнейших систем.
Примеры использования ПЛИС сегодня впечатляют:
- Серверное оборудование: На форуме «Микроэлектроника-2025» были представлены решения, где чипы Lattice выполняют функции контроллера управления платой (BMC), отвечая за прецизионный мониторинг и строгую последовательность подачи питания на компоненты системы.
- Интеллектуальное видеонаблюдение: В современных камерах ПЛИС (например, в составе систем на кристалле Zynq) позволяют обрабатывать видеопоток «на борту». Это избавляет от необходимости передавать колоссальные объемы сырых данных в облако — алгоритмы распознавания номеров и фиксации нарушений работают прямо внутри устройства, потребляя значительно меньше энергии, чем GPU.
- Космическая индустрия: Выбор чипа зависит от орбиты. Для низкоорбитальных группировок (как у Starlink) часто выбирают доступные коммерческие решения. Однако для дальнего космоса и работы в условиях жесткой радиации используются специализированные радстойкие ПЛИС (например, Virtex-5), стоимость которых может достигать сотни тысяч долларов за единицу. Именно такие компоненты управляют марсоходами.
- Потребительский сегмент: Мало кто знает, что первые телевизоры с интерфейсом HDMI функционировали на базе бюджетных чипов Spartan.
Важный аспект — экономическая целесообразность. ПЛИС идеальны для малых и средних серий (до нескольких тысяч единиц) благодаря возможности оперативного обновления прошивки. Но при выходе на массовый рынок (сотни тысяч устройств) выгоднее инвестировать в разработку специализированных чипов — ASIC.
Классификация и роль экосистемы
Разнообразие ПЛИС определяется не только их производительностью, но и развитостью сопутствующей экосистемы. Наличие готовых IP-ядер, фильтров и кодеков напрямую влияет на скорость разработки.
Лидеры рынка, такие как Xilinx и Altera, предлагают мощные инструменты интеграции с MATLAB и Simulink. Это позволяет инженерам-алгоритмистам проектировать сложные системы цифровой обработки сигналов на высоком уровне абстракции, не погружаясь в тонкости языков Verilog или VHDL. Система сама генерирует прототип, оптимизированный под конкретную аппаратную архитектуру.
Однако существует и другой подход — «экстремальная» оптимизация, когда разработчики вручную проектируют логику на уровне таблиц истинности (LUT), выжимая из кристалла максимум возможностей, что иногда требует даже использования систем жидкостного охлаждения.
Порог вхождения и современные средства разработки
Десять лет назад стоимость отладочных плат была серьезным барьером. Сегодня ситуация изменилась: благодаря появлению таких брендов, как Gowin, и доступности на маркетплейсах, войти в мир ПЛИС можно с минимальными затратами. Однако интеллектуальный порог остается высоким.
Архитектура современной ПЛИС — это не просто набор ячеек. Элемент LUT (lookup table) превратился в многофункциональный блок, способный выступать и в роли сдвигового регистра, и в качестве элемента интерконнекта. Это позволяет экономить ресурсы кристалла, но усложняет процесс проектирования.
Одной из главных проблем остается «разводка» (routing) проекта. Даже если логическая схема синтезирована успешно, не факт, что ее удастся физически разместить на кристалле. Инструменты вроде Vivado помогают сэкономить массу времени, позволяя на ранних этапах оценить вероятность успешной трассировки, что критично для проектов, сборка которых может длиться до 20 часов.
Встраиваемые ПЛИС (eFPGA): кастомные архитектуры
Технология Embedded FPGA (eFPGA) — это нишевое, но перспективное направление. Она позволяет интегрировать матрицу ПЛИС непосредственно в состав процессора как IP-ядро. Это востребовано в высокотехнологичных установках, например, в ЦЕРНе, для мгновенной фиксации откликов частиц.
Прелесть eFPGA в гибкости: разработчик может сам сконструировать архитектуру чипа, добавив нужное количество DSP-блоков, памяти или специфических аппаратных ускорителей. Примером доступности такой концепции была серия «ForgeFPGA» от Dialog — программируемые чипы стоимостью всего 50 центов, предназначенные для замены простых логических схем.
Эволюция языков и высокоуровневый синтез (HLS)
В индустрии наблюдается постепенный отход от VHDL в пользу SystemVerilog, который вобрал в себя лучшие черты предшественников и стал стандартом для современной верификации (UVM).
Параллельно развивается High-Level Synthesis (HLS) — попытка привлечь к разработке под ПЛИС специалистов, пишущих на C++, OpenCL или Java. HLS идеально подходит для алгоритмов, которые легко параллелятся, таких как матричное умножение в видеообработке. Вместо последовательного выполнения операций процессор на базе ПЛИС может вычислять десятки элементов одновременно.
Тем не менее, HLS — это не «волшебная кнопка». Разработчик всё равно должен учитывать аппаратные ограничения: пропускную способность портов памяти и особенности архитектуры конкретного кристалла, иначе автоматическая кодогенерация будет неэффективной.
Что ждет индустрию в будущем?
Развитие ПЛИС всегда следует за глобальными технологическими трендами:
- В 90-е годы телеком-бум привел к появлению мощных DSP-блоков.
- В 2000-е потребность в скоростной передаче данных дала толчок развитию трансиверов.
- Сегодня главным драйвером является искусственный интеллект, что ведет к интеграции в ПЛИС специализированных тензорных ядер и блоков для ускорения нейросетей.
В полной версии подкаста вы также узнаете:
- Как фриланс-платформы помогли сформировать российское сообщество ПЛИСоводов.
- Правда ли, что криптоиндустрия и HFT — самые «токсичные» потребители ресурсов FPGA.
- В чем секрет визуального сходства брендов Gowin и Lattice.
- Текущее состояние и перспективы отечественных разработок в области ПЛИС.
Смотрите и слушайте интервью с Михаилом Коробковым на платформе «Истовый Инженер».
