ПЛИС для сетевых технологий: преимущества и примеры (Перевод)
Коммерческие электронные микросхемы получили широкое распространение для большого круга различных задач, именно они считаются "тардиционным" элементом, используемым в большинстве проектов. Однако, для решения некоторых задач они могут быть недостаточно гибкими; здесь же и выходят ПЛИС на сцену. Их основной отличительной чертой от коммерчесикх микросхем является возможность полной кастомизации и легкого изменения "внутреннего устройства" чипа.
Если Вы заинтересованы ПЛИС, и ищите больше информации о сем чудном зверьке, его сильных сторонах, и областях применений, то данная статья поможет найти ответы на Ваши вопросы.
Краткий обзор
ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы; FPGA (field-programmable gate array). Интегральные схемы в данном случае представляют собой большой набор логических элементов и матриц, соединяемых между собой ("программируемых") при помощи "виртуальных" проводов, по модели пользователя, выполняющих определенную заданную функцию. Также некоторые модели ПЛИС включают в себя блоки статической и/или динамической памяти. В статье будут рассмотрены преимущества применения ПЛИС и их сильные стороны.
Преимущества ПЛИС
ПЛИС позволяют пользователю менять свою конфигурацию в зависимости от требований пользователя, что делает их более гибкими для настройки, в отличие от готовых цифровых схем, которые при необходимости смены задачи необходимо полностью заменять на физическом уровне. ПЛИС же позволяет использовать один единственный чип, и программно менять его конфигурацию, создавая новую электрическую схему.
- Высокие возможности кастомизации
ПЛИС отличается от готовых цифровых схем тем, что их внутренняя структура может быть модифицирована (перепрограммируема) пользователем.
- Более эффективная реализация алгоритмов
Параллелизм выполнения операций, свойственный ПЛИС, позволяет значительно повысить производительность одного и того же решения, реализованного на процессоре и на ПЛИС.
- Долговечность ПЛИС
Функциональность ПЛИС заключается в ее внутренней, перепрограммируемой структуре, что делает ее абсолютно независимой от микросхем доступных на рынке.
- Эффективность
Благодаря своей структуре ПЛИС позволяет использовать параллельные алгоритмы вычислений, что является более эффективным по сравнению с последовательным выполнением в МК и процессорах.
- Более короткое время выхода на рынок
Сложные системы могут быть доработаны уже после их выхода на рынок, что позволяет значительно ускорить продажи готового продукта, а функциональность готового устройства может быть адоптирована специально под конкретные требования проекта.
Однако, не все так радужно, как кажется на первый взгляд, далее мы приведем наиболее значимые недостатки использования ПЛИС.
Некоторые недостатки испльзования ПЛИС
В отличие от коммерческих микросхем, ПЛИС потребляет больше энергии, что ограничивает их использование в LE-областях. Еще одна вещь, о которой стоит упомянуть - это снижение скорости работы всего устройства: коммерческие микросхемы зачастую применяются для решения ряда поставленных задач, в то время как ПЛИС, из-за своей внутренней структуры, нацелено на решение только одной конкретной задачи. А также, не менее важный параметр - стоимость: как правило ПЛИС намного дороже, чем коммерческие микросхемы.
Однако, по мнению авторов, количество преимуществ использования ПЛИС перевешивает чашу весов в свою сторону.
При детальном погружении в область использования ПЛИС зачастую встает вопрос: "в каких ситуациях стоит использовать ПЛИС, а в каких готовые коммерческие микросхемы?". Далее, мы приведем пару подсказок о том, в каких областях ПЛИС показывает лучшие результаты в отличие от коммерческих микросхем.
Когда использовать ПЛИС
Коммерческие микросхемы представляют собой электронное устройство, выполняющее ряд определенных функций, заключенное на одном чипе. Внутренняя структура ПЛИС в свою очередь представляет набор "перепрограммируемых" логических ячеек и связей между ними, которые проектируются при помощи языков описания архитектуры HDL (hardware description language). Если вас интересует вопрос программирования ПЛИС, прочитайте статью.
ПЛИС занимает свою нишу при использовании в проектах, где в точности не ясна аппаратная платформа, а также существует ряд альтернативных способов решений для выполнения требований заказчика. Также, ПЛИС применяются в производственных проектах, в которых необходима некоторая аппаратная гибкость используемой платформы. В данном случае, вместо описания всех возможных вариантов использования устройства, разработчику необходимо описать лишь суть выполняемых задач, а специфику оставить для добавления заказчиком.
На сегодняшний день ПЛИС активно применяется в измерительном оборудовании, в декодерах, сетевых устройствах и т.д. Они используются для обработки изображений, для решений в области искусственного интеллекта, а также для ускорения сетевого трафика. ПЛИС получили популярность за счет своей низкой задержки и быстрой обработки большого массива данных, что позволяет применять их для математических операций, для битовых операций, в качестве шифровальщиков, операциями с блокчейнами, а также для вычислений хэш-функций.
ПЛИС в CodiLime
В CodiLime работают с сетевыми картами SmartNIC, где ПЛИС используется в качестве ядра системы, благодаря чему некоторые функции могут выполняться аппаратно.
SmartNIC - программируемая сетевая карта, которая представляет собой устройство, отвечающее за управление внутренними и внешними потоками сетевых данных. Такое решение применяется для снижения нагрузки от маршрутизации, преобразовании сетевых адресов, телеметрии, балансировки нагрузки, брандмауэра, и т.д. на ЦП сервера. Для более детального понимания SmartNIC советуем ознакомиться со слдующей статьей.
Снижение нагрузки на сервер осуществляется путем переноса простых задач, которые могут потреблять излишние ресурсы процессора на стороннее устройство, при этом внешняя платформа, в основе которой лежит ПЛИС, выполняет данные задачи с меньшей задержкой данных, чем ЦП сервера, благодаря параллелизации процессов.
SmartNIC представляет собой сетевую карту стандарта PCIe с разъемами SFP и трансиверами, подключенными к ПЛИС. Они предоставляют HDL описание приемопередатчика Ethernet и необходимой внутренней логики. Более того, компания предоставляет возможность описания всех необходимых функций при помощи языка Р4, который в дальнейшем транслируется в HDL, который в свою очередь в дальнейшем преобразуется в битовый поток, "зашиваемый" в ПЛИС.
Мы, в CodiLime помогаем конечным пользователем с настройкой конфигурации SmartNIC в зависимости от их задач, путем использования Р4, для разгрузки ЦП, а гибкая структура ПЛИС зачастую позволяет нам экспериментировать с различными функциями, которые иногда выходят за рамки стандартного сетевого подхода.
Вместо заключения
ПЛИС, возможно не самое быстрое, с точки зрения задержки,решение на рынке, однако они позволяют решать задачи, требующие параллелизма процессов, что возвышает их над коммерческими микросхемами, требующими время для анализа данных. Преимущество ПЛИС заключается в их гибкости и возможности простого изменения внутренней структуры устройства.
Мы надеемся, что эта статья дала вам некоторое представление об использовании ПЛИС, и, возможно, вы станете энтузиастом в этой области.
Вы можете поддержать автора и проект по следующим реквизитам: 4100118000696833 (Юмани)
