یک پردازنده FPGA (آرایه گیت قابل‌برنامه‌ریزی میدانی) نوعی مدار مجتمع است که می‌تواند توسط یک کاربر پیکربندی شود تا عملیات منطق دیجیتال خاصی را پس از ساخت انجام دهد. برخلاف CPUها و GPUها که سخت‌افزار ثابت دارند، FPGA ها انعطاف‌پذیری را با اجازه دادن به کاربران برای برنامه‌ریزی مجدد سخت‌افزار برای کاربردهای مختلف ارائه می‌دهند. این کار آن‌ها را برای وظایفی که نیازمند عملکرد بالا، تاخیر پایین و سفارشی‌سازی هستند ایده‌آل می‌سازد. بر خلاف مدارهای مجتمع خاص منطوره (ASICها) که به طور دائمی با یک طراحی خاص حک شده‌اند، FPGA ها می‌توانند برای تغییر عملکرد دوباره برنامه‌ریزی شوند.

دو تعریف دیگر برای FPGA می توان بیان کرد:

• سخت‌افزار قابل‌برنامه‌ریزی: FPGA ها لزوما لوح سفیدی هستند که می‌توانند برای پیاده‌سازی مدارهای دیجیتال سفارشی برنامه‌ریزی شوند.
• بلوک‌های منطقی قابل پیکربندی: آن‌ها شامل چندین بلوک منطق قابل پیکربندی (CLBها) و اتصالات میانی قابل‌برنامه‌ریزی هستند که می‌توانند برای انجام عملکردهای خاص متصل شوند.

چه تفاوتی بین FPGA و CPU ها و GPUها وجود دارد؟

• CPU ها ( واحدهای پردازش مرکزی): CPU ها برای محاسبات عمومی و کارهای متوالی طراحی می‌شوند. با اینکه آن‌ها قابل‌برنامه‌ریزی هستند، اما به اندازه FPGA طراحی قابل موازی سازی و برنامه ریزی ندارند.
• پردازنده‌های گرافیکی ( واحدهای پردازش گرافیکی) : GPUها برای پردازش موازی، به ویژه در کارهای مربوط به گرافیک، بهینه می‌شوند. با این حال، آن‌ها فاقد انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان FPGA ها برای محاسبات تخصصی هستند.
• FPGA ها: FPGA ها یک سطح میانی ارائه می‌دهند و انعطاف‌پذیری را برای سفارشی کردن سخت‌افزار برای کارهای خاص فراهم می‌کنند، در حالی که قابلیت‌های پردازش موازی را نیز فراهم می‌سازند.

مزایای FPGA ها

•  عملکرد بالا و تاخیر پایین: FPGA ها می‌توانند برای کارهای خاص بهینه‌سازی شوند، که منجر به افزایش عملکرد قابل‌توجه و کاهش تاخیر در مقایسه با CPU ها یا GPUها می‌شود.
• سفارشی‌سازی : FPGA ها امکان سفارشی سازی دقیق سخت‌افزار را فراهم می‌کنند و راه‌حل‌های بهینه را برای کاربردهای مختلف فراهم می‌کنند.
• انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان : FPGA ها می‌توانند برای تطبیق با نیازمندی‌ها یا پیاده‌سازی الگوریتم‌های جدید دوباره برنامه‌ریزی شوند.
• مصرف انرژی پایین: FPGAها می‌توانند مصرف انرژی کمتری داشته باشند، به ویژه در کاربردهایی که به توان بالا نیاز نیست.

کاربردهای FPGA 

• محاسبات با کارایی بالا : FPGA ها در ابرکامپیوترها و مراکز داده برای تسریع کارهای محاسباتی فشرده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) FPGA : ها به خوبی برای پردازش صوت، ویدئو و انواع دیگر سیگنال‌ها مناسب هستند.
• هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (ML): FPGAها به طور فزایندهای در کاربردهای AI و ML به خصوص برای کارهایی مانند تسریع شبکه عصبی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• هوافضا و دفاعی: FPGA ها در کاربردهای مختلف هوافضا و دفاعی مانند پردازش رادار، ارتباطات ماهوارهای و محاسبات ایمن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• تهیه نمونه اولیه : FPGA ها برای نمونه‌سازی طرح‌های سخت‌افزاری جدید قبل از انجام به صورت ASICها (مدارهای مجتمع خاص منطوره) ارزشمند هستند.
• به طور خلاصه، FPGA ها ترکیبی منحصر به فرد از انعطاف‌پذیری، عملکرد و سفارشی‌سازی ارائه می‌دهند که آن‌ها را ابزاری قدرتمند برای طیف وسیعی از کاربردها، به ویژه آن‌هایی که نیازمند راه‌حل‌های سخت‌افزاری با عملکرد بالا و تخصصی هستند، می‌سازد.

زبان های برنامه نویسی برای FPGA 

بهترین زبان‌های برنامه‌نویسی برای FPGA به طور کلی VHDL و Verilog هستند. این دو زبان از زبان‌های توصیف سخت‌افزار (HDL) هستند که برای توصیف رفتار و عملکرد مدارهای دیجیتال در FPGA استفاده می‌شوند. 

• VHDL: یک زبان توصیف سخت‌افزار استاندارد است که برای طراحی مدارهای دیجیتال، شبیه‌سازی، تحلیل و ارزیابی سیستم‌های سخت‌افزاری به کار می‌رود. معمولاً برای طراحی‌های پیچیده و با دقت بالا استفاده می‌شود. به طور گسترده در طراحی تراشه‌ها و مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASIC) و همچنین FPGAها کاربرد دارد.
• Verilog: یکی دیگر از زبان‌های توصیف سخت‌افزار است که به ویژه در صنعت الکترونیک دیجیتال محبوبیت دارد. به طور کلی، ساده‌تر و خواناتر از VHDL است و برای طراحی‌های سریع‌تر و پروتوتایپینگ (ایجاد نمونه اولیه) مناسب‌تر است. به طور گسترده در پروژه‌های FPGA و ASIC استفاده می‌شود.
• علاوه بر VHDL و Verilog، زبان‌های دیگری مانند SystemVerilog نیز وجود دارند که در برخی موارد برای توسعه FPGA استفاده می‌شوند.  در برخی پروژه‌ها، از زبان‌های سطح بالاتر مانند پایتون برای تولید بخشی از کد (مثلاً برای تولید خودکار تست‌بنج‌ها) استفاده می‌شود. فرآیند سنتز (synthesis) کد HDL به یک پیکربندی قابل بارگذاری روی FPGA توسط نرم‌افزارهای مخصوص (مانند Vivado برای Xilinx) انجام می‌شود.