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Werbeteppich eines FPGA-Herstellers auf der Embedded-World-Messe 2014
Werbeteppich eines FPGA-Herstellers auf der Embedded-World-Messe 2014 (Bild: Thomas Springer/Wikipedia/CC0 1.0)

FPGA: Prozessor Marke Eigenbau

Heute kann man vieles selbst herstellen: Brillengestelle mit dem 3D-Drucker oder die Raumüberwachung mit Arduino und Co. Doch lassen sich auch Prozessoren mit selbst entwickelten Software-Algorithmen versehen? Dafür kann ein Field Programmable Gate Array (FPGA) die Lösung sein.

Nur manchen bekannt ist der Minimig, ein Amiga-Nachbau ohne Original-Bauteile, der alle Chips inklusive CPU auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) unterbringt - und so klassische Spiele wieder aufleben lässt. Doch spätestens seit Intel durch den Kauf von Altera für 16,7 Milliarden US-Dollar in den FPGA-Markt eingestiegen ist, sollte klar sein, dass diese Technik weit mehr bietet als ein paar Pixel aus den 80er und 90er Jahren.

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Was ist ein FPGA?

Ein FPGA ist ein Chip, dessen Funktionsweise durch den Benutzer festgelegt werden kann. Von einem einfachen Zählmechanismus oder einer LED-Steuerung bis hin zu einem Mikroprozessor ist alles denkbar. Erreicht wird dies durch definierte Logikblöcke, die flexibel miteinander verbunden werden können. Dies kann beliebig oft wiederholt werden, da ein FPGA seine Informationen spätestens nach dem Ausschalten wieder verliert.

Neben der Flexibilität haben FPGAs aber noch weitere Vorteile: Sie verbrauchen wenig Strom und sind schnell, denn sie sind Meister im parallelen Ausführen von Funktionen. Auch sind ihre Wartung und die Anpassung an Kundenwünsche recht einfach, weil der FPGA beim Nutzer noch umprogrammiert werden kann, ohne dass Hardware getauscht werden muss.

Der Nachteil ist natürlich, dass man dem FPGA erst einmal das Laufen beibringen muss. Denn es gibt kein Betriebssystem oder einen Treiber, die dem Chip erklären, wie er über den HDMI-Ausgang ein paar bunte Bilder auf den Monitor bringt. FPGAs gibt es von verschiedenen Herstellern, wobei Xilinx und Altera den größten Marktanteil haben. Daneben gibt es zum Beispiel Lattice und Actel.

Wo werden FPGAs eingesetzt?

Wer FPGAs nutzt, braucht keinen Dienstleister oder eine Chipfabrik, um seine Ideen in Hardware umzusetzen. Auch der Entwurfprozess verläuft schnell, schließlich hält man in der Regel seine fertige Lösung eher in der Hand, als das erste Testmuster von der Chipfabrik geliefert werden könnte. Das macht FPGAs preislich bei kleineren bis mittelgroßen Projekten interessant. Sie finden sich unter anderem in vielen medizinischen Geräten wie Ultraschall, CRT oder Röntgen-Apparaten, aber auch in der Rückfahrkamera vom Auto, in Alarmanlagen, Robotersteuerungen und Smart-Home-Anwendungen.

Eine Alternative zum Einsatz eines FPGA ist ein ASIC, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch: Application-specific integrated Circuit). Wie der Name sagt, lässt sich ein ASIC ebenso auf die Lösung einer Aufgabe zuschneiden wie ein FPGA. Allerdings kann ein ASIC nach seiner Herstellung nicht mehr angepasst werden. ASICs sind so schnell wie FPGAs und auch stromsparend und haben als weiteren Vorteil geringere Herstellungskosten. Auf der anderen Seite haben sie hohe Fixkosten vor Beginn der Produktion, etwa für die Entwicklung und Herstellung einer Fotomaske.

Als weitere Alternative kann man sich auch eine CPU oder GPU denken. Beide verfügen über einen festen Satz von Befehlen und werden über Software-Programme angesprochen. Sie sind also relativ flexibel und können zur Laufzeit angepasst werden. Bei der Hardware selbst muss das genommen werden, was die Hersteller anbieten - eigene Konfigurationen sind nicht möglich. Eine CPU arbeitet die Befehle nacheinander ab, während eine GPU parallel arbeitet. Die GPU erreicht dadurch eine Geschwindigkeit, die mit der eines FPGA vergleichbar ist, jedoch liegt der Stromverbrauch viel höher. Dies gilt auch für die CPU.

Wie kommen die Ideen auf den Chip? 

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Bern Hard 12. Mai 2016

Ich glaub es ist derzeit sowieso klüger, wenn man einkauft. Das Anschaffen der Ethereum...

DJCray 04. Apr 2016

Ja. Das wäre wirklich toll. Manchmal sind bestimmte Befehle (und damit eine bestimmte...

WhyLee 31. Mär 2016

die besseren fpgas entziehen sich ja schon dem normalen hobbybastler. wenn ich z.b. eine...

x-beliebig 29. Mär 2016

Das geht mit HLS schon durchaus. Das genau habe ich doch mit meinem Beitrag...

yeti 23. Mär 2016

Der erste programmierbare Chip, der mir untergekommen ist, war ein PROM. Siehe: http...



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