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Ingeniería FPGA: Aplicaciones de las FPGA

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Aplicaciones de las FPGA

El rango de aplicaciones de las FPGA es muy amplio, debido a la versatilidad y a la flexibilidad de estos dispositivos; siendo la principal aplicación de las FPGAs el procesamiento digital de señales (DSP), comunicaciones, procesado de datos, etc. La elección de una FPGA para aplicaciones de tratamiento de señal se debe a su alta frecuencia de trabajo, a su capacidad de procesamiento en paralelo, y a su bajo precio en comparación con los ASICs. En general, la lógica de un CPLD es insuficiente para realizar dicho procesamiento.

En la siguiente gráfica puede apreciarse la distribución de las aplicaciones de las FPGA en el año 2008.



De esta aplicación se derivan una gran variedad  de aplicaciones de las FPGA, citándose algunas de ellas a continuación:

    • Comunicaciones, radio definida por software (SDR): para poder usarse en un entorno de tiempo real duro, la radio/red definida por software y otros algoritmos complejos como FFT deben implementarse en FPGA. Tradicionalmente, una radio constaba de una antena, encargada de recibir y enviar una señal, y un hardware encargado de procesar esa señal, filtrarla, modificar su frecuencia, etc. Este hardware no podía modificar significativamente la funcionalidad para la que fue diseñado. Hoy en día, gran parte de esta funcionalidad se transfiere a un dispositivo electrónico, que a menudo es un FPGA, y la parte analógica se puede limitar a una antena y convertidores ADC y DAC. La principal ventaja de este tipo de radio es que su funcionalidad viene definida por el diseño del software, por lo que su modificación o actualización es sencilla y no requiere la sustitución de ningún elemento hardware. En algunos casos, ADC y DAC también se incluyen dentro del propio chip.


    • Sistemas de visión artificial: en el mundo actual existen cada vez en más número dispositivos que disponen de un sistema de visión artificial. Ejemplo de esto son las cámaras de videovigilancia, robots, etc. Muchos de estos dispositivos precisan de un sistema para conocer su posición, reconocer los objetos de su entorno, reconocer rostros de personas, y poder actuar e interactuar con ellos de la forma adecuada. Esta característica requiere manejar unos volúmenes de imágenes muy elevados, tratar dichas imágenes para detectar objetos, reconocer rostros, etc., en la gran mayoría de ocasiones en tiempo real.

    • Sistemas de imágenes médicas: cada vez con más frecuencia se están empleando las FPGAs para el tratamiento de imágenes biomédicas obtenidas mediante procesos de PET, escáner CT, rayos X, imágenes tridimensionales, etc. Estos sistemas de visión médica cada vez precisan de más resolución y de una capacidad de procesamiento mayor, incluso muchas necesitan poder desarrollarse en tiempo real, por lo que las prestaciones que ofrecen las FPGAs de frecuencia y procesamiento en paralelo se adaptan muy bien a estas necesidades.

    • Radio definida por software (SDR): de forma tradicional, una radio consistía en una antena, encargada de recibir y enviar una señal, y un hardware encargado de procesar esa señal, filtrarla, modificar su frecuencia, etc. Este hardware no podía modificar de forma notable la funcionalidad para la cual había sido diseñada. En la actualidad gran parte de esta funcionalidad se traslada a un dispositivo electrónico, que con frecuencia suele ser una FPGA, pudiendo limitarse la parte analógica a una antena y a los convertidores ADC y DAC.

    • Codificación y encriptación, criptografía: paralelismo computacional masivo, la capacidad de configurar las unidades computacionales con el ancho de bits necesario, la baja latencia y su alta capacidad matemática (DSPs integrados en FPGAs) son las principales razones por las que los chip FPGA se utilizan en el campo tanto del cifrado/descifrado como de la criptografía post-cuántica.

    • Radioastronomía: la radioastronomía es la ciencia que se encarga de estudiar los fenómenos que ocurren en el espacio mediante la captación de la radiación electromagnética procedente de éste. De forma similar a las aplicaciones anteriores, precisa del procesamiento de una gran cantidad de información en el que la FPGA puede aportar todo su potencial.

    • Reconocimiento de voz: el reconocimiento de la persona que habla es una técnica empleada en seguridad, sistemas de recuperación de información, etc., y se espera que en el futuro su ámbito de aplicación aumente. En este contexto,  la FPGA resulta muy eficiente a la hora de realizar la comparación de la voz de una persona con unos patrones previamente almacenados.

    • Aeronáutica y defensa: además de las mencionadas previamente, existen multitud de aplicaciones aeronáuticas y de defensa que emplean FPGA debido a las buenas características que éstas ofrecen.

    • Data Center / Cloud: el internet de las cosa (IoT), y en general el big data, están generando un crecimiento exponencial de los datos adquiridos y procesados, que junto con el análisis computacional de los mismos mediante técnicas de aprendizaje profundo de múltiples operaciones paralelas/concurrentes, están conllevando una alta demanda de capacidad computacional de baja latencia, flexible y segura que no se resuelve añadiendo más servidores /  blades, debido al disparatado incremento del coste en espacio, consumo y dinero. Bajo este panorama, las puertas del mundo del Data Center se están abriendo de manera masiva a las FPGAs, debido a su capacidad de aceleración computacional, flexibilidad de configuración y la seguridad que garantiza el hardware frente al software.

    • Ingeniería de control: capacidad para implementar un controlador basado en FPGA como un sistema en tiempo real duro que puede reaccionar a cualquier cambio crítico en el entorno de control dentro de un tiempo determinista (calculado, limitado y conocido). Otro aspecto es la posibilidad de reconfigurar la FPGA durante el tiempo de ejecución en fábrica o en campo/vuelo, lo que permite una adaptación a un entorno cambiante eligiendo el algoritmo de controlador que mejor se ajuste, al tiempo que reduce los recursos lógicos necesarios y el tiempo de implementación.

GENERA TECNOLOGIAS
Francisco Pérez-Bosch
24 de noviembre de 2020

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