Trước khi đi vào các kỹ thuật tối ưu hóa, điều quan trọng là phải hiểu tại sao FPGA (Field-Programmable Gate Array) lại là nền tảng được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao, thay vì các bộ vi xử lý (CPU) hay GPU thông thường.
Kiến trúc Thực thi Song song Thực sự (True Parallelism)
Khác biệt cơ bản nhất giữa FPGA và CPU nằm ở mô hình thực thi. Một CPU, ngay cả với nhiều lõi, vẫn hoạt động dựa trên nguyên tắc chia sẻ tài nguyên và thực thi các chỉ thị một cách tuần tự. Ngược lại, FPGA cho phép triển khai các mạch logic hoàn toàn độc lập và hoạt động đồng thời. Mỗi tác vụ có thể được gán cho một vùng tài nguyên riêng biệt trên chip, chạy song song mà không xung đột hay chờ đợi nhau.
Ví dụ thực tế:
Hãy tưởng tượng một hệ thống cần đọc dữ liệu từ 8 kênh analog, thực hiện phép lọc FFT trên mỗi kênh và kiểm tra điều kiện cảnh báo. Trên CPU, hệ điều hành sẽ phải phân chia thời gian xử lý cho 8 tác vụ này. Trên FPGA, bạn có thể tạo ra 8 “engine” xử lý riêng biệt, mỗi engine gồm mạch đọc ADC, khối FFT và logic so sánh, tất cả hoạt động đồng thời và độc lập. Kết quả là thông lượng hệ thống tăng lên gần 8 lần.
Tính Tất định (Determinism)
Tính tất định là khả năng của một hệ thống có thể lặp lại một tác vụ trong một khoảng thời gian chính xác, có thể dự đoán được. FPGA đạt được tính tất định cao do loại bỏ các yếu tố gây ra sự bất định trong các hệ thống dựa trên CPU, bao gồm:
- Không có Hệ điều hành (OS): Không có các tiến trình nền, trình lập lịch (scheduler) hay các cơ chế ngắt phức tạp có thể làm gián đoạn tác vụ chính.
- Không có Bộ đệm (Cache): Loại bỏ độ trễ không đoán trước được gây ra bởi cache misses.
- Độ trễ (Latency) cực thấp: Vì mã chương trình được chuyển thành mạch phần cứng, độ trễ phản hồi có thể đạt đến mức vài nano giây.
- Sai số thời gian (Jitter) tối thiểu: Jitter là sự dao động về thời gian hoàn thành của một tác vụ. Trong FPGA, jitter gần như không đáng kể, đảm bảo các tín hiệu được tạo ra với độ chính xác chu kỳ xung nhịp.