🖥 FPGA(Field Programmable Gate Array) 완벽 정리
제조된 이후에도 사용자가 현장에서(Field) 직접 하드웨어 동작을 재구성(Programmable) 할 수 있는 반도체 칩(Gate Array), 바로 FPGA입니다.
소프트웨어처럼 하드웨어를 바꿀 수 있다는 것이 가장 큰 특징입니다.
1. FPGA란?
- Field: 공장에서 만든 뒤 현장에서 동작 변경 가능
- Programmable: 하드웨어 로직을 사용자가 설계 가능
- Gate Array: 논리 게이트들이 배열된 구조
즉, FPGA = 하드웨어를 소프트웨어처럼 바꿀 수 있는 칩입니다.
CPU처럼 순차적으로 명령을 실행하는 게 아니라, 회로 자체를 원하는 구조로 바꿔서 동작합니다.
2. FPGA 구조
구성 요소
| 구성 | 역할 | 예시 |
|---|---|---|
| Logic Block (CLB) | 기본 연산과 레지스터 구현 | LUT, 플립플롭 |
| Interconnect | 블록 간 연결 경로 | 프로그래머블 배선 |
| I/O Block (IOB) | 외부 입출력 처리 | LVDS, LVCMOS |
3. 동작 원리
- HDL 설계 (Verilog, VHDL)
- 합성(Synthesis) → 논리 게이트 변환
- 배치·배선 (Place & Route)
- 비트스트림 생성
- FPGA 다운로드(Programming)
- 하드웨어 동작 실행
4. FPGA vs CPU vs ASIC
| 구분 | FPGA | CPU | ASIC |
|---|---|---|---|
| 동작 방식 | 회로 변경 가능 | 명령어 실행 | 회로 고정 |
| 성능 | 병렬 처리 강점 | 순차 처리 | 최적화 최고 |
| 유연성 | 매우 높음 | 소프트웨어 변경 | 없음 |
| 전력 효율 | 낮음~중간 | 중간 | 높음 |
| 개발 비용 | 중간 | 낮음 | 높음 |
5. 장단점
장점
- 재구성 가능
- 병렬 처리 강점
- 초기 개발 비용 낮음
- 다양한 인터페이스 지원
- 실시간 처리 우수
단점
- 전력 소모 높음
- ASIC 대비 속도 한계
- 대량 생산 시 단가 불리
- 설계 난이도 높음
6. 활용 분야
- 통신 장비 (5G, 위성, 광통신)
- 영상/음성 신호 처리
- AI/암호 연산 가속기
- 산업 제어 (로봇, 센서)
- 항공·군수 장비
- ASIC 설계 검증(프로토타이핑)
7. 개발 흐름
[요구사항 분석]
↓
[HDL 설계] (Verilog/VHDL)
↓
[시뮬레이션] (ModelSim, QuestaSim)
↓
[합성] (Vivado, Quartus)
↓
[배치·배선]
↓
[비트스트림 생성]
↓
[FPGA 다운로드 & 검증]8. 대표 제조사
- Xilinx (AMD) → Artix, Kintex, Virtex, Zynq
- Intel (Altera) → Cyclone, Arria, Stratix
- Lattice → 저전력 FPGA
- Microchip (Microsemi) → RTG4, IGLOO
💡 정리
FPGA는 ASIC의 고정성과 CPU의 범용성 사이에서,
맞춤형 고속 하드웨어 처리가 필요한 분야에 최적의 솔루션입니다.
