”FPGA on laihialaisen tehokas”

Alanderin mukaan FPGA ei toki korvaa prosessoria aivan kaikissa digitalisaation tehtävissä, mutta ne tehtävät, joita joudutaan suorittamaan toistuvasti yhä uudelleen ja uudelleen ja jotka ovat riittävän rutiininomaisia, ovat tälle tekniikalle sopivia. Niistä FPGA selviytyy nopeasti ja myös energiatehokkaasti.

– Nopeus perustuu siihen, että laskentaa voidaan suorittaa hyvin rinnakkaisesti, Alander kertoo.

Perinteisellä prosessorilla useimmat piirin osat ovat suurimman osan ajasta vain odottamassa tehtäviä, joita ne saavat silloin tällöin, osa ei ehkä koskaan piirin elinaikana. FPGA:ssa suurin osa piireistä voi olla lähes koko ajan tekemässä tehtäviään; aikaa ei haaskata joutenoloon, odotteluun ja jonotteluun.

Energiateho taas perustuu siihen, että tehdään vain oleellinen, eikä aikaa kulu prosessorin tavoin erilaiseen kirjanpitoon, eli byrokratiaan. Tämä johtuu siitä, että ohjelma on toteutettu piirikytkentänä, joka on tehokkain tapa toteuttaa digitaalista laskentaa, ilman välivarastointia ja tiedon toistuvaa hakua ja tallennusta.

– Tehdään kerralla valmista, mikä on oiva malli vaikka byrokratiatalkoisiin, Alander kuvailee.

Parhaimmillaan esimerkiksi ohjaimissa

FPGA-piirien ohjelmointi tarkoittaa digitaalisen piirin kytkentöjen suunnittelua, mikä on haastavaa eikä salli tehtävien muuttamista, mikä taas on helppoa prosessorilla.

– FPGA on parhaimmillaan sovelluksissa, joissa tehtävät eivät muutu. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi niin sanotut sulautetut järjestelmät eli kaikenlaisten automaattisten laitteiden ja koneiden ohjaimet, sanoo Alander.

Alanderin mukaan esimerkiksi vaasalaisessa teollisuudessa FPGA-piirejä käytetään suojareleissä, taajuusmuuttajissa ja polttomoottorien ohjaimissa, missä ne käsittelevät mittaussignaaleja ja suorittavat tarvittaessa hyvinkin nopeita ja luotettavia ohjauspäätöksiä.

Uusin trendi on SoC

FPGA-tekniikan uusin trendi on yhdistää tämä tekniikka perinteiseen mikroprosessoriin: uusimmissa FPGA -piireissä on kiinteästi mukana prosessori, jonka kautta on helpompi mm hoitaa kommunikointi sulautetussa järjestelmässä.

Tästä tekniikasta eli niin sanotusta SoC (System on Chip) -piireistä ja niiden soveltamisesta pidetään Vaasan yliopistolla FPGA-valmistaja Alteran ja Teknillisessä tiedekunnassa Automaationtekniikan oppiaineen isännöimä seminaari alan tutkijoille ja teollisuuden soveltajille maaliskuun 17. päivä klo. 12:00–16:00, Fabriikin salissa F651 (Automaatiotekniikan kotisali).

– FPGA-tekniikan taloudellisesta merkityksestä antaa viitteitä se että mikroprosessorivalmistajajätti Intel esitti kesällä 2015 ostotarjouksen kaikista Alteran osakkeista noin 16miljardilla dollarilla. Tällä Intel saisi haltuunsa lähes puolet FPGA-markkinoista, sanoo Alander.

Alan suurin valmistaja, hieman Alteraa suurempi yritys, on Xylinx, jonka markkinaosuus on noin puolet koko FPGA markkinasta.

Intel ennustaa FPGA-tekniikan olevan tulevaisuudessa merkittävä muun muassa palvelinkeskuksissa ja tavaroiden internetissä (IoT). Esimerkiksi Googlen haussa on mahdollisuus hajauttaa laskentaa prosessoreille ja FPGA-piireille: prosessori hoitaa kommunikaation ja FPGA-piirit suorittavat massiivisen rinnakkaisia hakuoperaatioita tietokantojen tiedoista. Energiatehokkuudesta taas on hyötyä pienten kannettavien laitteiden digitaalitekniikan toteutuksissa.

FPGA = Field Programmable Gate Array
IoT = Internet of Things
SoC _ System on Chip

Lisätietoja: Tuotantoautomaation professori Jarmo Alander, Vaasan yliopisto
puh. 029 449 8270, jarmo.alander(at)uwasa.fi