FPGA là gì? Con chip có thể tự “xây lại” mạch bên trong

Khi nghe đến FPGA, nhiều người nghĩ ngay đến một thứ rất kỹ thuật của ngành bán dẫn. Thực ra ý tưởng của nó khá dễ hiểu: FPGA là loại chip mà sau khi sản xuất xong, người ta vẫn có thể thay đổi cách các mạch điện bên trong hoạt động.

Nói đơn giản hơn: FPGA giống một hộp LEGO điện tử. Bên trong có sẵn rất nhiều khối nhỏ, và kỹ sư có thể ghép chúng lại thành phần cứng mình cần.

Hôm nay có thể cấu hình nó thành bộ xử lý hình ảnh. Ngày mai đổi sang xử lý dữ liệu radar. Sau đó lại biến nó thành bộ điều khiển robot — mà không cần sản xuất một con chip mới.

Tên gọi cũng nói lên điều đó: FPGA là viết tắt của Field-Programmable Gate Array — mảng cổng logic có thể lập trình ngay tại hiện trường, tức là sau khi chip đã rời nhà máy.

Ví dụ dễ hiểu nhất: ba kiểu nhà máy

Hãy tưởng tượng có ba loại nhà máy.

CPU giống một nhà máy đa năng. Nhà máy có một đội công nhân rất giỏi, giao việc gì cũng làm được: tính toán, mở ứng dụng, xử lý dữ liệu, chạy hệ điều hành. Nhưng họ thường phải làm theo từng bước.

ASIC giống một nhà máy xây riêng cho đúng một sản phẩm — ví dụ chỉ sản xuất pin. Toàn bộ dây chuyền được tối ưu cho pin nên rất nhanh, tiết kiệm điện và sản xuất số lượng lớn rất tốt. Nhưng nếu ngày mai muốn chuyển sang làm camera thì gần như phải xây lại nhà máy.

FPGA giống một nhà máy có dây chuyền lắp ghép. Có thể tháo dây chuyền hôm nay ra rồi bố trí lại cho công việc ngày mai. Đó chính là điểm đặc biệt của FPGA.

FPGA không chỉ “chạy phần mềm”

Đây là điểm quan trọng nhất để hiểu FPGA.

Khi lập trình cho máy tính thông thường, về cơ bản ta nói với CPU: “Hãy thực hiện các bước A, rồi B, rồi C, rồi D.”

Khi cấu hình FPGA, ta gần như đang nói: “Hãy xây cho tôi một mạch điện gồm A, B, C và D, rồi cho chúng chạy song song.”

Vì vậy FPGA có thể xử lý rất nhiều việc cùng một lúc, và đặc biệt hợp với những bài toán cần tốc độ rất cao và phản ứng gần như tức thì.

Cách "lập trình" cũng khác: kỹ sư FPGA thường mô tả phần cứng bằng các ngôn ngữ như Verilog hoặc VHDL, rồi công cụ của nhà sản xuất chuyển mô tả đó thành cách nối các khối bên trong chip.

Ví dụ: camera trên một chiếc xe tự hành

Camera liên tục gửi hình ảnh về chip để nhận dạng vật thể và ra quyết định. Giả sử chiếc xe nhìn thấy một người đang bước qua đường, hệ thống phải trả lời cực nhanh một chuỗi câu hỏi:

• Có người phía trước không?
• Người đó đang di chuyển theo hướng nào?
• Khoảng cách còn bao nhiêu?
• Có cần phanh không?

Nếu xử lý chậm vài trăm mili giây, hậu quả có thể rất khác. Lợi thế của FPGA là kỹ sư có thể thiết kế các mạch bên trong để nhiều bước xử lý diễn ra song song, thay vì chờ nhau lần lượt.

FPGA thường được dùng ở đâu?

Robot. FPGA có thể đọc đồng thời dữ liệu từ camera, encoder, motor và nhiều cảm biến rồi phản hồi rất nhanh.

Drone. Xử lý camera, cảm biến, tín hiệu truyền thông và điều khiển trong thời gian thực.

Xe tự hành. Dùng cho camera, radar, LiDAR, hợp nhất dữ liệu cảm biến (sensor fusion) và nhiều hệ thống điều khiển.

Nhà máy thông minh. Xử lý dữ liệu tốc độ cao từ hàng loạt cảm biến và máy móc trên dây chuyền.

Viễn thông. Thiết bị 5G phải xử lý lượng dữ liệu khổng lồ với độ trễ cực thấp, nên FPGA thường có mặt — nhất là ở giai đoạn phát triển hoặc thiết bị sản xuất số lượng vừa phải.

Quốc phòng, hàng không và radar. Những hệ thống cần xử lý tín hiệu nhanh, chính xác và tùy chỉnh rất cao.

FPGA khác CPU, GPU và ASIC thế nào?

Có thể nhớ rất đơn giản:

Không có loại chip nào luôn tốt nhất; mỗi loại hợp với một bài toán khác nhau. FPGA đổi được sự linh hoạt, nhưng thường tốn điện và đắt hơn trên mỗi chip so với một ASIC làm đúng việc đó ở sản lượng lớn.

Tại sao không làm ASIC luôn cho xong?

ASIC có thể rất mạnh. Nhưng thiết kế một chip ASIC riêng thường mất nhiều thời gian, tốn rất nhiều tiền, cần đội ngũ thiết kế chip chuyên sâu — và nếu thiết kế sai thì sửa rất khó, vì chip đã được "đúc" cố định.

FPGA giải quyết một vấn đề rất hay: có thể thử nghiệm phần cứng trước khi quyết định sản xuất chip thật.

Ví dụ một công ty muốn phát triển chip xử lý AI có thể đi theo trình tự:

1. Từ ý tưởng, thiết kế thuật toán.

2. Chạy thử trên FPGA.

3. Đo tốc độ, tìm điểm nghẽn.

4. Sửa thiết kế rồi kiểm tra lại.

5. Khi mọi thứ ổn định mới làm ASIC.

Vì vậy FPGA xuất hiện rất nhiều trong quá trình làm prototype chip.

FPGA đặc biệt quan trọng trong ngành bán dẫn

Giả sử một công ty đang thiết kế một SoC mới. Trước khi bỏ ra hàng triệu USD để sản xuất, họ cần biết: thiết kế này có thực sự hoạt động không?

Một cách phổ biến là đưa thiết kế đó lên FPGA để chạy thử gần giống phần cứng thật, phát hiện lỗi, sửa và kiểm tra lại. Chỉ khi đã yên tâm, thiết kế mới được tape-out — gửi sang nhà máy bán dẫn để sản xuất chip thật.

Có thể hình dung FPGA như bản thử nghiệm vật lý của một con chip trước khi con chip đó thực sự ra đời.

Một ví dụ đời thường khác: mở nhà hàng

Giả sử bạn muốn mở một nhà hàng.

ASIC giống như xây hẳn một nhà hàng pizza chuyên nghiệp: lò nướng, bếp, dây chuyền đều tối ưu cho pizza. Rất hiệu quả, nhưng nếu mô hình không thành công thì thay đổi rất khó.

FPGA giống một căn bếp module có thể bố trí lại: tuần này bán pizza, tuần sau thử hamburger, tuần tiếp theo thử đồ Hàn. Khi đã biết mô hình nào tốt nhất, bạn mới xây nhà hàng chuyên dụng.

Đó cũng là lý do FPGA được dùng rất nhiều trong R&D và phát triển sản phẩm mới.

Chỉ cần nhớ một câu

Nếu phải giải thích cho người hoàn toàn không biết về bán dẫn, có thể nói:

Và nếu muốn nhớ CPU, FPGA, ASIC chỉ bằng ba câu:

• CPU: bảo chip phải làm gì.
• FPGA: thiết kế lại cách phần cứng bên trong chip hoạt động.
• ASIC: sản xuất hẳn một con chip dành riêng cho công việc đó.

Muốn đi tiếp từ đây, bài CPU, GPU, NPU và MCU: mỗi loại giỏi việc gì? → giúp phân biệt các loại bộ xử lý còn lại, còn series Công nghệ cao → đi từ transistor, cổng logic tới robot theo từng ngày học.