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FPGA

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목차

1. 개요

FPGA(Field-Programmable Gate Array)는 사용자가 하드웨어 설계를 변경할 수 있는 집적 회로이다. 1980년대 초 CPLD(Complex Programmable Logic Device)에서 파생되었으며, 자일링스의 로스 프리먼에 의해 1984년에 발명되었다. FPGA는 CPLD보다 더 많은 논리 요소를 가지며, 내부 연결 구조를 통해 유연성을 확보했다.

FPGA는 다양한 제조 기술을 사용하며, SRAM, 안티퓨즈, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리, 퓨즈, PROM 등을 기반으로 한다. 주요 제조사로는 AMD(자일링스), 인텔(알테라)이 있으며, 래티스 세미컨덕터, 마이크로칩, 퀵로직 등도 있다. FPGA는 디지털 신호 처리, 소프트웨어 정의 라디오, 우주 과학, 국방 시스템, 의료 영상, 컴퓨터 비전, 암호학 등 다양한 분야에 활용된다. 또한, 하드웨어 가속, 고성능 컴퓨팅, 통신, 하드웨어 보안 등에도 사용되며, CPLD 및 ASIC과 비교하여 장단점을 갖는다.

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FPGA
개요
유형재프로그래밍 가능한 논리 소자
약칭FPGA
설명재프로그래밍 가능한 논리 게이트 배열
상세 정보
구조프로그래머블 로직 블록(Configurable Logic Block, CLB)으로 구성
특징사용자 정의 회로 구현 가능
하드웨어 동작 변경 가능
장점빠른 시제품 제작
유연한 설계 변경
병렬 처리 능력 우수
단점전력 소모가 높을 수 있음
복잡한 설계 과정
활용 분야통신 시스템
디지털 신호 처리
이미지 처리
임베디드 시스템
항공우주
국방
주요 제조사자일링스
인텔 (알테라)
래티스 세미컨덕터
마이크로칩 테크놀로지 (마이크로세미)
추가 정보
기타소프트웨어와 하드웨어의 장점을 결합한 형태
이미지
자일링스 스파르탄 FPGA 패키지
패키지
자일링스 스파르탄 FPGA 다이 샷
다이

2. 역사

FPGA는 1980년대 초 복합 프로그래머블 논리 소자(CPLD)에서 발전되었다. FPGA는 CPLD보다 더 많은 프로그래밍 가능한 논리 요소를 가지고 있다. CPLD는 수천에서 수만 개의 논리 게이트를 가지는 반면, FPGA는 일반적으로 수만에서 수백만 개의 논리 게이트를 가진다.[2]

CPLD와 FPGA의 주요 차이점은 구조적인 면에 있다. CPLD는 제한적인 구조로, 예측 가능한 지연 시간과 빠른 논리-내부선 속도를 제공하지만 유연성이 떨어진다. 반면 FPGA는 내부선에 따라 결정되는 구조로, 더 유연하고 복합적인 설계가 가능하다. 또한, 대부분의 FPGA는 시스템상에서 재설정을 지원하여 시스템을 향상시키거나 동적으로 변경할 수 있다. 일부 FPGA는 부분적 재설정 기능을 통해 다른 부분이 동작하는 동안 소자의 일부분을 재프로그램할 수 있다.[2]

FPGA 산업은 프로그래머블 ROM(PROM)과 프로그래머블 논리 소자(PLD)에서 시작되었다. PROM과 PLD는 공장 또는 현장에서 프로그래밍할 수 있는 옵션을 제공했다.[2] 프로그래밍 가능한 논리 어레이, 논리 게이트, 논리 블록 등의 기본 개념은 이미 1985년 David W. Page와 LuVerne R. Peterson이 취득한 특허에 나타난다.[79][80]

1997년, 서섹스 대학교 연구원 Adrian Thompson은 유전 알고리즘과 FPGA를 결합한 음성 인식 장치를 개발했다. Thompson은 자일링스(Xilinx) 제품을 이용하여 두 가지 소리를 식별할 수 있도록 학습하는 하드웨어를 개발했다. 이러한 방식은 진화형 하드웨어(Evolutionary Hardware)라고 불리게 되었다.[86][78]

2013년까지 알테라(Altera)(31%), 자일링스(36%), Actel(10%)은 FPGA 시장의 약 77%를 차지했다.[8] 마이크로소프트와 같은 회사들은 와트당 성능 이점 때문에 빙 검색 엔진을 운영하는 데이터센터와 같은 고성능, 연산 집약적인 시스템을 가속화하기 위해 FPGA를 사용하기 시작했다.[9] 마이크로소프트는 2014년에 빙을 가속화하기 위해 FPGA를 사용하기 시작했으며, 2018년에는 애저 클라우드 컴퓨팅 플랫폼의 다른 데이터센터 작업량에 FPGA를 배포하기 시작했다.[56]

2. 1. FPGA의 기원

FPGA의 개념은 1980년대 초 복합 프로그래머블 논리 소자(CPLD)에서 시작되었다. 1984년 자일링스의 공동 창립자인 로스 프리맨(Ross Freeman영어)이 최초의 FPGA를 발명하였다.[2] 1985년 자일링스는 세계 최초의 상용 FPGA인 XC2064를 출시했다.[4][5] XC2064는 프로그래밍 가능한 게이트와 게이트 간의 프로그래밍 가능한 상호 연결을 갖추어 새로운 기술과 시장의 시작을 알렸다.[5] XC2064는 2개의 3입력 룩업 테이블(LUT)을 가진 64개의 구성 가능한 논리 블록(CLB)을 가지고 있었다.[6]

1987년, 미 해군 해상전투센터(Naval Surface Warfare Center)는 스티브 카셀만(Steve Casselman)이 제안한 60만 개의 재프로그래밍 가능한 게이트를 구현하는 컴퓨터를 개발하는 실험에 자금을 지원했다. 카셀만은 성공했고, 이 시스템과 관련된 특허는 1992년에 발행되었다.[2]

알테라(Altera)는 1983년에 설립되었고, 1984년에 업계 최초의 재프로그래밍 가능한 논리 소자 EP300을 출시했다. 이 소자는 패키지에 석영 창이 있어 사용자가 자외선 램프를 다이에 비추어 소자 구성을 저장하는 EPROM 셀을 지울 수 있었다.[3]

2. 2. 발전과 경쟁

1990년대는 FPGA가 급속히 성장한 시기였다. 이 시기에 FPGA는 통신, 네트워킹뿐만 아니라 소비자, 자동차, 산업용 애플리케이션 등 다양한 분야로 확장되었다.[7]

알테라와 자일링스는 1980년대부터 1990년대 중반까지 FPGA 시장을 주도하며 경쟁했지만, 1990년대 중반부터 경쟁 업체들이 등장하면서 시장 점유율 경쟁이 심화되었다. 1993년에는 Actel(현 마이크로칩의 일부)이 시장의 약 18%를 점유했다.[5]

1990년대 FPGA 시장 점유율
연도기업점유율
1993년알테라(자료 없음)
자일링스(자료 없음)
Actel (마이크로칩)약 18%[5]


2. 3. 최근 동향

최근에는 FPGA에 CPU 코어와 관련 주변 회로를 통합하여 완벽한 "프로그래밍 가능한 칩 상 시스템(SoC)"을 구현하는 제품도 등장하고 있다. 예를 들어, 자일링스는 파워PC(PowerPC) 프로세서를 통합한 FPGA로 Virtex-II PRO 및 Virtex-4를 출시했다. 아트멜 FPSLIC도 마찬가지 제품으로, Atmel AVR 프로세서를 통합하고 있다. 액텔(Achtel)의 SmartFusion은 ARM 아키텍처의 Cortex-M3 CPU 코어를 통합하고 있다.[86]

이와는 별도로, 소프트 프로세서 코어를 FPGA 상에 구성하여 사용하는 방식도 있다. 이 경우, 오픈RISC나 RISC-V와 같은 오픈소스 CPU도 이용할 수 있다.

현재의 FPGA 대부분은 작동 중에도 재구성이 가능하며, 거기에서 재구성 가능 컴퓨팅이라는 개념이 탄생했다. 이것은 시스템이 당시 실행하려고 하는 작업의 경향에 따라 스스로를 재구성한다는 개념이다. 예를 들어, 미트리오닉스(Mitrionics)사의 "미트리온 버추얼 프로세서"[87]는 FPGA 상에 구현된 재구성 가능한 소프트 프로세서이지만, 실행 중의 동적 재구성은 불가능하다.

FPGA와는 다른 새로운 아키텍처도 등장하고 있다. Stretch S5000은 소프트웨어로 구성 가능한 마이크로프로세서로, CPU 코어 어레이와 FPGA 방식의 프로그래밍 가능한 코어를 같은 칩에 탑재하고 있다.[88]

3. FPGA의 구조

FPGA는 크게 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다.


  • 구성 가능 논리 블록 (CLB, Configurable Logic Block): 실제 연산을 수행하는 블록이다.
  • I/O 패드: 외부 회로와 신호를 주고받는 역할을 한다.
  • 배선 채널: 논리 블록과 I/O 패드를 연결하여 데이터 흐름을 제어한다.


최근의 FPGA는 기본적인 구조 외에도, 특정 목적을 위해 미리 만들어진 '하드 블록'을 포함하는 경우가 많다. 하드 블록은 곱셈기, DSP 블록, CPU 코어, 고속 I/O 로직, 메모리 등 다양한 기능을 수행하며, FPGA의 성능을 높이고 전력 소비를 줄이는 데 기여한다.[16]

FPGA 내부에 소프트 프로세서 IP 코어를 구현하여 사용할 수도 있다. Nios II, MicroBlaze, Mico32 등이 대표적인 예시이다.[72]

FPGA는 여러 개의 클럭을 사용하여 전력 관리를 효율적으로 할 수 있다. 부하가 낮은 회로는 클럭 주파수를 낮추거나 클록 신호를 정지시켜 소비 전력을 줄일 수 있다.

최근에는 3차원 또는 적층 아키텍처를 사용하여 크기와 전력 소모를 줄이는 기술도 도입되고 있다.[28][29]

3. 1. 기본 구조

FPGA의 일반적인 기본 구조는 구성 가능한 논리 블록(CLB, configurable logic blocks|컨피규러블 로직 블록영어) 배열과 라우팅 채널로 구성된다.[17] 다중 I/O 패드는 한 행의 높이나 한 열의 너비에 적합할 수 있다. 일반적으로 모든 라우팅 채널은 동일한 폭(전선 수)을 가지고 있다. 응용 회로는 적합한 자원을 가지는 FPGA에 매핑되어야 한다.

논리 블록


일반적인 FPGA의 논리 블록은 위 그림처럼 4개의 입력 룩업 테이블(lookup table|룩업 테이블영어)과 플립플롭으로 구성된다. 레지스터나 언레지스터 룩업 테이블이 가능한 하나의 출력만 있다. 논리 블록에는 룩업 테이블을 위한 4개의 입력과 클럭 입력이 있다. 클럭 신호(와 높은 팬아웃 신호)는 일반적으로 특별 용도 전용 라우팅망을 통하여 연결되고 다른 신호는 분리하여 관리되기 때문이다.

논리 블록 핀 위치


이 예시 구조에서 FPGA의 논리 블록 핀 위치는 위 그림과 같다. 각 입력은 출력 핀이 바로 연결된 채널과 논리 블록을 통한 채널로 된 라우팅 전선을 연결할 수 있는 동안에 논리 블록의 한 면으로 접근할 수 있다. 각 논리 블록 출력 핀은 이웃한 채널에서 분할된 전선 중 하나를 연결할 수 있다. 비슷하게 I/O 패드도 이웃한 채널에서 분할된 전선 중 하나를 연결할 수 있다. 예를 들어 칩의 맨 위에 있는 I/O 패드는 바로 밑의 수평 채널에 있는 W 전선(W는 채널 폭)의 어떤 것과 연결할 수 있다.

일반적으로 FPGA의 라우팅은 분할되지 않는다. 각 전선의 분할은 스위치 상자로 차단되기 이전에 하나의 논리 블록과 연결되어 있다. 스위치 상자 내부의 프로그래머블 스위치를 켜서 긴 라인을 구성할 수 있다. 고속의 내부선을 위해서 FPGA의 구조는 다중의 논리 블록과 연결된 긴 라우팅 라인을 사용한다.

어떤 수평 채널이나 수직 채널도 스위치 상자를 교차한다. 이 구조에서 전선이 스위치 상자로 들어갈 때 인접한 채널 분할에서 3개의 다른 전선을 연결할 수 있는 3개의 프로그래머블 스위치가 있다. 이 구조에서 사용되는 스위치의 패턴이나 위상은 평면이나 도메인 기반의 스위치 상자 위상이다. 스위치 상자 위상에서 트랙 숫자 1의 전선은 인접한 채널 분할에 있는 트랙 숫자 1의 전선에만 연결되고, 트랙 숫자 2의 전선은 트랙 숫자 2의 다른 전선에만 연결되며 이렇게 반복 연결된다. 아래 그림은 스위치 상자에 있는 연결을 설명한다.

스위치 상자 위상


최근의 FPGA는 여기에 더욱 고기능의 논리 블록을 추가하고 있다. 고기능 블록을 삽입함으로써 처음부터 그 기능을 구성하는 것보다 필요한 면적을 줄이고 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 곱셈기, 범용 DSP 블록, 범용 CPU 코어, 고속 I/O 로직, 메모리 등이 내장된 FPGA가 있다.

3. 2. 논리 블록 (Logic Blocks)

논리 셀의 간략화된 예시 (LUT – 룩업 테이블, FA – 전가산기, DFF – D-타입 플립플롭)


FPGA 논리 블록은 일반적으로 여러 개의 논리 셀로 구성된다. 일반적인 셀은 4입력 룩업 테이블(LUT), 전가산기(FA), D-타입 플립플롭으로 구성된다.[23][24][25] LUT는 상황에 따라 두 개의 3입력 LUT로 분할될 수 있다. ''일반 모드''에서는 이들이 첫 번째 멀티플렉서(mux)를 통해 4입력 LUT로 결합된다. ''산술 모드''에서는 LUT의 출력이 FA에 입력된다. 모드는 두 번째 mux에 의해 프로그래밍된다. 출력은 세 번째 mux의 프로그래밍에 따라 동기식 또는 비동기식이 될 수 있다.

최근 고성능 FPGA는 6입력 LUT를 채택하기도 한다.[107]

3. 3. 하드 블록 (Hard Blocks)

최신 FPGA 제품군은 실리콘에 고정된 상위 수준의 기능을 포함하도록 확장되었다. 이러한 기능을 회로에 내장하면 필요한 면적이 줄어들고, 논리 기본 요소로 구축하는 것보다 성능이 향상된다. 예를 들어 곱셈기, 일반적인 DSP 블록, 임베디드 프로세서, 고속 I/O 로직 및 임베디드 메모리가 있다.[16]

고급 FPGA에는 고속 멀티기가비트 트랜시버와 프로세서 코어, 이더넷 매체 접근 제어 장치, PCI 또는 PCI 익스프레스 컨트롤러, 외부 메모리 컨트롤러와 같은 ''하드 IP 코어''가 포함될 수 있다. 이러한 코어는 프로그래밍 가능한 패브릭과 함께 존재하지만, LUT 대신 트랜지스터로 구축되므로 패브릭 리소스를 상당히 소모하지 않고 ASIC 수준의 성능과 전력 소모를 제공하여, 애플리케이션 특정 로직에 더 많은 패브릭을 사용할 수 있도록 한다. 멀티기가비트 트랜시버에는 고성능 신호 조절 회로와 고속 직렬화기 및 역직렬화기가 포함되어 있으며, 이러한 구성 요소는 LUT로 구축할 수 없다. 라인 코딩과 같은 상위 수준의 물리 계층(PHY) 기능은 FPGA에 따라 하드 로직의 직렬화기 및 역직렬화기와 함께 구현될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.[72]

3. 4. 소프트 코어 (Soft Core)

FPGA 논리 내에 구현된 소프트 프로세서 IP 코어를 사용할 수 있다. Nios II, MicroBlaze, Mico32는 인기 있는 소프트 코어 프로세서의 예이다.[72] 이러한 코어들은 제3자(상업용이거나 무료)의 프로세서 코어로 알려져 있으며, 알테라의 Nios II와 자일링스의 매크로블래이즈와 피코블래이즈, 오픈 소스 [http://www.latticesemi.com/products/intellectualproperty/ipcores/mico32/index.cfm/ 래티스미코32] 등이 있다. 중앙 처리 장치 구조가 내장된 하드 중앙 처리 장치 코어는 소프트 코어 중앙 처리 장치보다 성능이 우월하다.[72]

3. 5. 클로킹 (Clocking)

대부분의 FPGA 내부 논리는 동기 회로이며, 클럭 신호를 필요로 한다. FPGA는 일반적으로 H 트리로 구현된 전용 글로벌 및 지역 라우팅 네트워크를 클럭 및 리셋에 사용하여 최소한의 클럭 스큐로 전달할 수 있다. FPGA는 새로운 클럭 주파수를 생성하고 지터를 관리하기 위해 아날로그 위상 고정 루프(PLL) 또는 지연 고정 루프(DLL) 구성 요소를 포함할 수 있다. 복잡한 설계는 서로 다른 주파수와 위상 관계를 갖는 여러 개의 클럭을 사용할 수 있으며, 각각은 별도의 클럭 도메인을 형성한다. 이러한 클럭 신호는 발진기로 로컬에서 생성하거나 데이터 스트림에서 복구할 수 있다. 메타 안정성을 피하기 위해 클럭 도메인 크로싱 회로를 구축할 때 주의해야 한다. 일부 FPGA는 서로 다른 클럭으로 작동할 수 있는 듀얼 포트 RAM 블록을 포함하여 FIFO 및 클럭 도메인을 연결하는 듀얼 포트 버퍼를 구축하는 데 도움이 된다.[72]

3. 6. 3D 아키텍처

타불라와 자일링스 같은 업체들은 크기와 전력 소모를 줄이기 위해 3차원 또는 적층 아키텍처를 도입했다.[28][29] 자일링스는 28nm 7 시리즈 FPGA를 출시한 후, 해당 FPGA 제품군 중 몇몇 고밀도 부품은 3차원 구조 및 적층 다이 어셈블리 기술을 사용하여 하나의 패키지에 여러 다이를 사용하여 제작될 것이라고 밝혔다.

자일링스의 접근 방식은 수동 상호 연결을 담당하는 실리콘 인터포저에 여러 개(3개 또는 4개)의 활성 FPGA 다이를 나란히 적층하는 것이다.[29][30] 다중 다이 구조는 FPGA 자체의 패브릭과 초고속 28Gbit/s 직렬 트랜시버 간의 공정 요구 사항이 다르기 때문에 FPGA의 다른 부분을 서로 다른 공정 기술로 생성할 수 있도록 한다. 이러한 방식으로 제작된 FPGA는 ''이기종 FPGA''라고 한다.[31]

알테라의 이기종 접근 방식은 단일 모놀리식 FPGA 다이를 사용하고 인텔의 임베디드 멀티다이 상호 연결 브리지(EMIB) 기술을 사용하여 다른 다이와 기술을 FPGA에 연결하는 것을 포함한다.[32]

4. FPGA 설계 및 프로그래밍

FPGA의 동작은 하드웨어 기술 언어(HDL) 또는 회로도 설계를 통해 정의된다. 일반적인 하드웨어 기술 언어로는 VHDL과 베릴로그가 있으며, 시스템C, 시스템베릴로그, 헨델 C 등 다양한 HDL이 사용된다. 전자 설계 자동화(EDA) 도구를 사용하여 기술적으로 매핑된 넷리스트를 생성하고, 배치와 배선 작업을 통해 실제 FPGA에 맞게 구현한다. 배치와 배선은 일반적으로 FPGA 회사 자산인 소프트웨어로 수행한다. 사용자는 맵, 타이밍 분선, 시뮬레이션, 다른 검증 방법론으로 설계를 검증한다. 설계 및 검증 과정이 완료되면 생성된 이진 파일을 FPGA에 (재)구성하여 사용한다.[16][17]

HDL 방식은 대규모 구조 작업에 더 적합하며, 회로도 입력은 설계 및 구성 요소 모듈의 시각화를 용이하게 할 수 있다. 하드웨어 기술 언어들을 도입함으로써 설계의 복잡성을 감소시키는 경향으로 설계를 추상적인 수준으로 끌어올린다.

FPGA에서 복잡한 시스템 설계를 간단히 하기 위해, 설계 과정을 빠르게 검증하고 최적화한 미리 정의된 복잡한 기능과 회로 라이브러리가 존재한다. 이러한 회로를 “IP 코어”라고 하며, FPGA 제조사와 제 3의 IP 공급자에게서 제공받을 수 있다. 다른 미리 정의된 회로는 개발자 커뮤니티로부터 제공받을 수 있다.

일반적인 설계 흐름에서 FPGA 응용 개발자는 설계과정을 거치며 여러 단계에서 설계를 시뮬레이션한다. 초기에 VHDL이나 베릴로그로 된 RTL 기술은 시스템을 시뮬레이션하고 결과를 관측하기 위해 생성된 테스트 벤치에 따라 시뮬레이션한다. 그런 다음 합성 엔진은 설계를 넷리스트에 매핑한 후 넷리스트는 게이트 수준 기술로 번역하며 시뮬레이션은 합성을 진행하는 중에 오류가 없는지 확인을 되풀이한다. 마지막으로 설계는 FPGA에 배치하는 경우에 어떤 지점의 전달 지연은 추가될 수 있고 시뮬레이션은 이런 값을 넷리스트에 기록하여 다시 실행한다.

현대 FPGA는 복잡한 디지털 연산을 구현할 수 있을 만큼 충분한 논리 게이트와 RAM 블록을 가지고 있다. FPGA는 ASIC이 수행할 수 있는 모든 논리 함수를 구현하는데 사용될 수 있다.

5. 제조 기술 종류


  • 에스램 - 정적 메모리 기술 기반으로, 시스템에서 프로그래밍 및 재프로그래밍이 가능하다. 외부 부트 소자가 필요하다. 시모스.
  • 안티퓨즈 - 한 번만 프로그래밍이 가능하다. 시모스.
  • 이피롬 - 소거 및 프로그램되는 읽기 전용 메모리 기술이다. 일반적으로 플라스틱 패키지 제품은 한 번만 프로그래밍이 가능하다. 창이 있는 소자는 자외선으로 삭제할 수 있다. 시모스.
  • 더블이피롬 - 전기적으로 소거 및 프로그래밍이 가능한 읽기 전용 메모리 기술이다. 플라스틱 패키지라도 소거할 수 있다. 일부 EEPROM 소자는 시스템에서 프로그래밍할 수 있다. 시모스.
  • 플래시 메모리 - 플래시 소거 이이피롬 기술이다. 플라스틱 패키지라도 소거할 수 있다. 일부 플래시 소자는 시스템에서 프로그래밍할 수 있다. 일반적으로 플래시 셀은 동등한 이이피롬 셀보다 작고 제조 비용이 저렴하다. 시모스.
  • 퓨즈 - 한 번만 프로그래밍이 가능하다. 접합형.

6. FPGA 제조 회사

FPGA 산업은 프로그래머블 ROM(PROM)과 프로그래머블 논리 소자(PLD)에서 시작되었다. PROM과 PLD는 모두 공장에서 대량으로 프로그래밍하거나 현장에서 프로그래밍(현장 프로그래밍 가능)할 수 있는 옵션을 제공했다.[2]

알테라는 1983년에 설립되었고, 1984년에 업계 최초의 재프로그래밍 가능한 논리 소자 EP300을 출시했다. 이 소자는 패키지에 석영 창이 있어 사용자가 자외선 램프를 다이에 비추어 소자 구성을 저장하는 EPROM 셀을 지울 수 있었다.[3]

자일링스는 1985년에 최초로 상용화 가능한 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이인 XC2064를 생산했다.[2] XC2064는 프로그래밍 가능한 게이트와 게이트 간의 프로그래밍 가능한 상호 연결을 갖추어 새로운 기술과 시장의 시작을 알렸다.[5] XC2064는 2개의 3입력 룩업 테이블(LUT)을 가진 64개의 구성 가능한 논리 블록(CLB)을 가지고 있었다.[6]

1987년, 미 해군 해상전투센터는 스티브 카셀만(Steve Casselman)이 제안한 60만 개의 재프로그래밍 가능한 게이트를 구현하는 컴퓨터를 개발하는 실험에 자금을 지원했다. 카셀만은 성공했고, 이 시스템과 관련된 특허는 1992년에 발행되었다.[2]

알테라와 자일링스는 1980년대와 1990년대 중반까지 빠르게 성장하며 독점적인 지위를 누렸지만, 이후 경쟁업체들이 등장하면서 시장 점유율에 변화가 생겼다. 1993년에는 Actel(후에 마이크로세미, 현재 마이크로칩 테크놀로지)이 시장의 약 18%를 점유하기도 했다.[5]

1990년대는 회로의 정교함과 생산량 모두에서 FPGA의 급속한 성장기였다. 1990년대 초반에는 통신과 네트워킹에 주로 사용되었지만, 1990년대 말에는 소비자, 자동차 및 산업용 애플리케이션에도 사용되기 시작했다.[7]

2013년까지 알테라(31%), 자일링스(36%), Actel(10%)은 FPGA 시장의 약 77%를 차지했다.[8]

마이크로소프트와 같은 회사들은 FPGA가 제공하는 와트당 성능의 이점으로 인해 빙 검색 엔진을 운영하는 데이터센터와 같은 고성능, 연산 집약적인 시스템을 가속화하기 위해 FPGA를 사용하기 시작했다.[9] 마이크로소프트는 2014년에 빙을 가속화하기 위해 FPGA를 사용하기 시작했으며, 2018년에는 마이크로소프트 애저 클라우드 컴퓨팅 플랫폼의 다른 데이터센터 작업량에 FPGA를 배포하기 시작했다.[56]

2010년 3월, 타불라(Tabula)는 시간 다중화된 논리와 상호 연결을 사용하는 FPGA 기술을 발표하여 고밀도 애플리케이션에 대한 잠재적인 비용 절감 효과를 주장했지만,[39] 2015년 3월 24일, 타불라는 공식적으로 문을 닫았다.[40]

6. 1. 주요 제조사

자일링스(AMD의 일부)와 알테라(현재 인텔의 일부)는 오랫동안 FPGA 시장을 주도해왔다.[36] 2016년 기준 두 회사의 시장 점유율은 약 90%에 달했다.[36]

2016년 FPGA 시장 점유율
회사점유율
자일링스 (Xilinx)약 45%
알테라 (Altera)약 45%
기타약 10%



2015년 인텔은 알테라를 약 167억달러에 인수했으며,[41] 2015년 12월 30일에 인수를 완료했다.[41] 2020년 10월 27일, AMD는 자일링스를 인수할 것이라고 발표했으며,[42] 약 500억달러 규모의 인수는 2022년 2월에 완료되었다.[43] 2024년 2월 알테라는 인텔로부터 다시 독립했다.[44]

자일링스(현재 AMD)와 알테라(현재 인텔)는 모두 윈도우와 리눅스용 독점 소프트웨어를 제공하여 엔지니어들이 설계를 설계, 분석, 시뮬레이션 및 합성(컴파일)할 수 있도록 한다.[37][38]

다른 주요 제조사는 다음과 같다.


  • 래티스 세미컨덕터: 통합 구성 플래시, 인스턴트온 및 실시간 재구성 기능을 갖춘 저전력 SRAM 기반 FPGA 제조
  • 마이크로칩:
  • * 마이크로세미 (이전의 액텔): 안티퓨즈, 플래시 기반, 혼합 신호 FPGA 생산; 2018년 마이크로칩에 인수됨
  • 퀵로직: 초저전력 센서 허브, 초저전력, 저밀도 SRAM 기반 FPGA, 디스플레이 브리지 MIPI 및 RGB 입력; MIPI, RGB 및 LVDS 출력 제조[49]
  • 아크로닉스: 1.5GHz 패브릭 속도의 SRAM 기반 FPGA 제조[45]
  • 쾰른 칩: 독일 정부 지원 FPGA 설계 및 생산 업체[47]
  • 에피닉스(Efinix): 중소형 FPGA 제공. 논리와 라우팅 상호 연결을 구성 가능한 XLR 셀에 결합.
  • 고윈 반도체(GOWIN Semiconductors): 중소형 SRAM 및 플래시 기반 FPGA 제조. 일부 자일링스, 알테라 및 래티스 제품에 대한 핀 호환 대체품도 제공.

6. 2. 기타 제조사


  • 아크로닉스(Achronix): 1.5GHz 패브릭 속도의 SRAM 기반 FPGA를 제조한다.[45]
  • 알티움(Altium): 시스템온FPGA 하드웨어-소프트웨어 설계 환경을 제공한다.[46]
  • 쾰른 칩(Cologne Chip): 독일 정부 지원 FPGA 설계 및 생산 업체이다.[47]
  • 에피닉스(Efinix): 중소형 FPGA를 제공하며, 논리와 라우팅 상호 연결을 구성 가능한 XLR 셀에 결합한다.
  • 고윈 반도체(GOWIN Semiconductors): 중소형 SRAM 및 플래시 기반 FPGA를 제조한다. 일부 자일링스, 알테라 및 래티스 세미컨덕터 제품에 대한 핀 호환 대체품도 제공한다.
  • 래티스 세미컨덕터(Lattice Semiconductor): 통합 구성 플래시, 인스턴트온 및 실시간 재구성 기능을 갖춘 저전력 SRAM 기반 FPGA를 제조한다.
  • 마이크로칩(Microchip):
  • * 마이크로세미(Microsemi) (이전의 액텔(Actel)): 안티퓨즈, 플래시 기반, 혼합 신호 FPGA를 생산한다. 2018년 마이크로칩에 인수되었다.
  • * 엣멜(Atmel): 일부 알테라 호환 장치의 제2 소스이다. 2016년 마이크로칩에 인수되었다.
  • 퀵로직(QuickLogic): 초저전력 센서 허브, 초저전력, 저밀도 SRAM 기반 FPGA, 디스플레이 브리지 MIPI 및 RGB 입력, MIPI, RGB 및 LVDS 출력을 제조한다.[49]

7. 응용 분야

FPGA는 디지털 신호 처리(DSP), 소프트웨어 정의 라디오(SDR), 우주과학, 방위 시스템, ASIC 초기버전, 의료 영상, 컴퓨터 비전, 음성 인식, 암호학, 생물정보학, 컴퓨터 하드웨어 에뮬레이터 등 다양한 분야에 사용된다.[2] 초기에는 복합 프로그래머블 논리 소자의 경쟁 소자로 시작하여 PCB의 글루 논리와 비슷한 크기로 경쟁하였으나, 용량 및 속도가 향상되면서 현재는 완전한 SoC처럼 더 큰 기능을 제공한다.

FPGA는 특히 거대 병렬 알고리즘에 유용하며, 무차별 대입 공격(brute force attack영어)을 이용한 암호 해독 등에 활용된다.

FPGA는 계산 가능한 모든 문제를 해결할 수 있으며, 마이크로블레이즈(MicroBlaze)나 니오스 II(Nios II)와 같은 소프트 마이크로프로세서를 구현할 수도 있다. 그러나 FPGA의 진정한 장점은 특정 응용 프로그램에서 병렬적 특성과 게이트 수 최적화를 통해 훨씬 빠른 속도를 제공한다는 것이다.[50]

FPGA의 발전은 복잡한 의료 영상 처리(예: 3D MRI 영상 분할, 3D 이산 웨이블릿 변환, 단층 촬영 영상 재구성, PET/MRI 시스템)에 최적화된 하드웨어 솔루션 개발을 가능하게 했다.[53][54] 이러한 솔루션은 병렬 처리를 통해 집약적인 계산 작업을 수행하고, 동적으로 재프로그래밍 가능하며, 비용 효율적이면서도 의료 영상의 실시간 요구 사항을 충족한다.

FPGA는 하드웨어 가속에도 사용되어 알고리즘의 특정 부분을 가속화하고, FPGA와 범용 프로세서 간에 계산을 공유한다. 검색 엔진 빙(Bing)은 2014년 검색 알고리즘에 FPGA 가속을 채택했다.[55] 최근에는 AI 가속기 및 머신 러닝 응용 프로그램을 위한 인공 신경망 가속에도 활용된다.

전통적으로 FPGA는 생산량이 적은 특정 분야에 사용되었고, ASIC보다 단위당 하드웨어 비용이 높았다. 그러나 최근에는 비용 및 성능 역학 관계가 변화하면서 FPGA가 ASIC보다 유리한 응용 프로그램 범위가 확대되고 있다.

소량 생산(예: 1,000대)의 경우 FPGA가 더 비용 효율적일 수 있다. 예를 들어 VHS 테이프 아카이버인 ArVid(일부 버전만 FPGA 기반)와 자일링스 FPGA를 사용한 기가바이트 테크놀로지(Gigabyte Technology)의 i-RAM 저가형 의사-SSD 드라이브와 같은 제품이 있다.[57] 대량 생산에서는 맞춤형 칩이 더 저렴하지만, 빠른 출시를 위해 FPGA를 선택할 수도 있다. 저렴한 FPGA의 가용성이 증가함에 따라 대량 생산에서도 FPGA를 사용하는 것이 정당화될 수 있다.

FPGA의 다른 용도는 다음과 같다.



FPGA 구성은 일반적으로 하드웨어 기술 언어(HDL)를 사용하여 지정되며, 이는 ASIC과 유사하다. FPGA는 ASIC으로 구현 가능한 임의의 논리 기능을 구현할 수 있다. 출하 후 기능을 업데이트하거나 부분적으로 재구성할 수 있어[72] ASIC 설계보다 엔지니어링 비용이 낮다는 장점이 있다.[73]

FPGA는 디지털 신호 처리, 소프트웨어 무선, 항공 전자 장비, ASIC 프로토타이핑, 의료 영상 처리, 컴퓨터 비전, 음성 인식, 암호화, 생물정보학, 컴퓨터 하드웨어 에뮬레이터, 전파 천문학, 금속 탐지기 등 다양한 분야에 활용된다.

FPGA는 암호화, 비디오 압축/해제, 영상 처리, 신경망 처리 등의 로직을 칩 내부에 구현하여 특정 용도의 처리를 고효율, 고속으로 처리할 수 있다.[100] 마이크로프로세서와 FPGA의 전력당 성능을 비교하면 검색 처리에서 약 10배, 복잡한 금융 모델 분석에서 약 25배까지 FPGA가 우수하다.[101]

FPGA는 고성능 컴퓨팅에도 채택되어 푸리에 변환이나 합성곱과 같은 연산을 마이크로프로세서와 소프트웨어 대신 FPGA로 구현한다. FPGA의 논리 자원은 본질적으로 병렬 동작이 가능하므로 클럭 주파수가 낮더라도 계산 시간을 단축할 수 있다. FPGA의 유연성을 활용하여 연산 정밀도와 연산 유닛 수의 균형을 통해 더 높은 연산 성능을 달성할 수도 있다. 이러한 개념은 재구성 가능 컴퓨팅으로 불린다.

소프트웨어에 비해 FPGA 구성 설계는 복잡하고 시간이 오래 걸려 고성능 컴퓨팅에서 FPGA 채택이 제한적이었다.

FPGA는 서로 다른 신호 규격 간의 회로 신호 변환기로도 사용될 수 있다.[102]

100기가비트 이더넷 등의 광대역 네트워크 인터페이스로 PCI Express를 사용하여 PC에 연결된 FPGA가 제품화되고 있다.[103] 네트워크 및 PC 연결에 SerDes를 사용하여 프레임/패킷 처리를 하드웨어로 오프로드, 병렬화, 저전력화하고, DRAM 버퍼링을 통해 목적에 맞는 처리 흐름을 구현하는 등 FPGA의 기능을 활용한다. 통신 사업자 등 수요가 많지 않은 광대역 네트워크 인터페이스의 경우 제조업체가 전용 칩 대신 FPGA를 사용하기도 한다.

7. 1. 대한민국 국방 분야 응용

FPGA는 현대 군사 통신, 특히 미합중국 합동 전술 무선 시스템(JTRS)과 같은 시스템과 탈레스, L3해리스 테크놀로지스(L3Harris Technologies)(해리스 코퍼레이션(Harris Corporation)에서 분사)와 같은 회사의 장비에서 중요한 역할을 한다.[62] FPGA의 유연성과 프로그래밍 가능성은 사용자 정의 가능하고 안전한 신호 처리를 제공하여 군사 통신에 이상적이다.

미국 군이 사용하는 JTRS에서 FPGA는 다양한 통신 표준과 암호화 방법을 충족하는 데 중요한 적응성과 실시간 처리 능력을 제공한다. 탈레스는 신속한 재구성 및 강력한 보안을 포함한 군사적 사용의 엄격한 요구 사항을 충족하는 통신 장치 설계에 FPGA 기술을 사용한다. L3해리스 테크놀로지스 또한 방위 및 상업용 통신 솔루션에 FPGA를 통합하여 신호 처리 및 시스템 보안을 향상시킨다.[62]

다음은 관련된 주요 기술 및 장비들이다.

기술/장비명설명
신속 적응 표준 준수 무선 시스템 (RASOR)50개 이상의 데이터 링크와 파형을 지원하는 모듈식 개방 시스템 접근 방식(MOSA) 솔루션.
ASPEN 기술 플랫폼검증된 하드웨어 모듈과 프로그래밍 가능한 소프트웨어 및 고급 구성 가능 데이터 링크를 위한 FPGA 옵션으로 구성됨.
AN/PRC-117F(C) 무전기미 공군 전자 시스템 사령부를 지원하여 해리스(L3Harris)의 전 주파수 대역 통신 시스템 공급업체로서의 역할을 강화함.
SYNAPS 무선 통신 장비일반적으로 향상된 유연성과 성능을 위해 FPGA를 사용하는 소프트웨어 정의 라디오(SDR) 기술을 활용.
AN/PRC-148(다중 대역 팀 간/내부 무선 통신 장비 - MBITR)아프가니스탄과 이라크에서 사용되는 소형 다중 대역, 다중 모드 SDR.
JTRS 클러스터 2 휴대용 무선 통신 장비현재 개발 중이며, 최근 성공적인 초기 운영 평가를 완료.


8. 보안

FPGA는 하드웨어 보안 측면에서 ASIC이나 보안 마이크로프로세서와 비교하여 장점과 단점을 모두 가지고 있다. FPGA의 유연성은 제조 중 악의적인 수정 위험을 낮춘다.[63] 이전에는 많은 FPGA에서 설계 비트스트림이 외부 메모리(일반적으로 전원이 켜질 때마다)에서 FPGA가 비트스트림을 로드하는 동안 노출되었다. 모든 주요 FPGA 공급업체는 이제 비트스트림 암호화 및 인증과 같은 설계자를 위한 다양한 보안 솔루션을 제공한다. 예를 들어, 알테라(Altera)와 자일링스(Xilinx)는 외부 플래시 메모리에 저장된 비트스트림에 대해 AES 암호화(최대 256비트)를 제공한다. 물리적 복제 불가능 함수(PUF)는 처리 과정으로 인해 고유한 서명을 가지는 집적 회로이며, 매우 적은 하드웨어 공간을 차지하면서 FPGA를 보호하는 데에도 사용할 수 있다.[64]

마이크로세미(Microsemi)의 ProAsic 3 또는 래티스의 XP2 프로그래머블 디바이스와 같이 비휘발성 플래시 메모리에 내부적으로 구성을 저장하는 FPGA는 비트스트림을 노출하지 않으므로 암호화가 필요하지 않다. 또한, 룩업 테이블용 플래시 메모리는 우주 응용 분야에 대한 단일 이벤트 업셋 보호 기능을 제공한다. 더 높은 무단 조작 방지 보장을 원하는 고객은 마이크로세미(Microsemi)와 같은 공급업체의 일회성 안티퓨즈 FPGA를 사용할 수 있다.

알테라(Altera)는 Stratix 10 FPGA 및 SoC를 통해 안전한 장치 관리자와 물리적 복제 불가능 함수(PUF)를 도입하여 물리적 공격으로부터 높은 수준의 보호 기능을 제공했다.[65]

2012년 연구원 Sergei Skorobogatov와 Christopher Woods는 일부 FPGA가 적대적인 의도에 취약할 수 있음을 입증했다. 그들은 Actel/Microsemi ProAsic 3의 일부로 실리콘에 중요한 백도어 취약점이 제조되었다는 것을 발견했는데, 이는 암호 및 액세스 키 재프로그래밍, 암호화되지 않은 비트스트림 액세스, 저수준 실리콘 기능 수정 및 구성 데이터 추출과 같은 여러 수준에서 취약하게 만든다.[66]

2020년에는 모든 자일링스(Xilinx) 7시리즈 FPGA에서 비트스트림 암호화를 무용지물로 만드는 심각한 취약점("Starbleed"라고 명명됨)이 발견되었다. 해결 방법은 없으며, 자일링스는 하드웨어 개정판을 출시하지 않았다. 당시 이미 시장에 출시된 Ultrascale 및 이후 장치는 영향을 받지 않았다.

9. 유사 기술

FPGA와 유사한 기술로는 CPLD와 ASIC 등이 있다.

CPLD는 FPGA보다 구조가 단순하지만, 지연 시간을 예측하기 쉽고 칩 면적에서 상호 연결이 차지하는 비율도 작다.[1] 반면 FPGA는 상호 연결이 복잡하여 유연성이 높고, 메모리나 디코더, 수학 함수 연산 블록 등 다양한 기능을 내장하고 있다.[1]

ASIC은 FPGA에 비해 속도가 빠르고 에너지 효율이 높으며, 더 뛰어난 기능을 제공한다. 2006년 연구에 따르면 FPGA는 ASIC보다 면적이 40배, 전력 소모가 12배 더 크고, 속도는 1/3 수준이었다.[67] 그러나 FPGA는 현장에서 버그를 수정하기 위해 재프로그래밍할 수 있고, 시장 출시 기간을 단축하며, 초기 개발 비용(비반복 엔지니어링 비용)을 절감할 수 있다는 장점이 있다.[68] 이러한 장점 때문에, 일부 업체는 FPGA로 프로토타입을 제작하고, 최종 설계를 ASIC으로 구현하기도 한다.[68] 또한, 일부 FPGA는 부분 재구성을 지원하여, 장치 일부를 재프로그래밍하면서도 다른 부분은 계속 작동시킬 수 있다.[69][70]

9. 1. CPLD (Complex Programmable Logic Device)

CPLD와 FPGA의 가장 큰 차이점은 구조이다.[1] CPLD는 구성의 자유도가 작지만, 지연 시간을 예측하기 쉽고, 칩 면적에서 상호 연결용 경로의 비율도 작다.[1] 반면 FPGA는 상호 연결이 지배적이어서 유연성이 높다.[1]

또한, FPGA는 탑재된 기능이 고도화되어 메모리도 내장되어 있으며, 디코더나 수학 함수의 연산을 구현한 논리 블록도 있다.[1]

9. 2. ASIC (Application-Specific Integrated Circuit)

역사적으로 FPGA는 고정형 ASIC에 비해 속도가 느리고 에너지 효율이 낮았으며 일반적으로 기능도 떨어졌습니다. 2006년 연구에 따르면 FPGA에 구현된 설계는 평균적으로 ASIC 구현에 비해 면적이 40배, 동적 전력 소모량이 12배 더 많고 속도는 1/3에 불과했습니다.[67]

하지만 FPGA는 이미 배포된 상태(현장)에서 버그를 수정하기 위해 재프로그래밍할 수 있으며, 시장 출시 기간 단축 및 비반복 엔지니어링 비용 절감 등의 장점을 가집니다. 공급업체는 FPGA 프로토타이핑을 통해 FPGA에서 프로토타입 하드웨어를 개발하고, 최종 버전은 ASIC으로 제조하여 설계 확정 후 수정이 불가능하도록 하는 중간 지점을 선택할 수도 있습니다. 이는 새로운 프로세서 설계에도 종종 해당됩니다.[68] 일부 FPGA는 부분 재구성 기능을 통해 장치의 일부를 재프로그래밍하는 동안 다른 부분은 계속 실행할 수 있습니다.[69][70]

FPGA는 ASIC으로 구현할 수 있는 임의의 논리 기능을 구현할 수 있습니다. 출하 후에도 기능을 업데이트하고, 설계 측면에서 부분 재구성이 가능하며[72], ASIC 설계보다 엔지니어링 비용이 낮다는 장점이 있습니다.[73]

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