FPGA – Réseau logique programmable

Aujourd’hui on va explorer le fonctionnement des FPGA, ces composants essentiels qui permettent de créer des circuits logiques sur mesure après fabrication. Le terme FPGA signifie Field-Programmable Gate Array, en français réseau logique programmable sur le terrain.

Structure interne d’un FPGA

Un FPGA est constitué de trois éléments principaux :

Des blocs logiques programmables (CLB – Configurable Logic Blocks)
Une matrice d’interconnexions reconfigurables
Des blocs d’entrée/sortie (I/O blocks)

Les CLB sont des unités logiques contenant des tables de vérité (LUT – Look-Up Tables), des bascules (flip-flops) et parfois des petits blocs arithmétiques. Grâce à ces composants, on peut implémenter n’importe quelle fonction logique combinatoire ou séquentielle.

Programmation et configuration

Les FPGA sont programmables grâce à un fichier de configuration chargé dans une mémoire interne (volatile ou non). Cette configuration est généralement générée à partir d’un langage matériel comme VHDL ou Verilog. Une fois chargé, le FPGA se comporte comme un circuit numérique spécifique, adapté à la tâche définie.

Il existe plusieurs technologies de programmation :

SRAM : volatile, reprogrammable à volonté
Antifusible : permanent, non reprogrammable
Flash : non volatile, reprogrammable un nombre limité de fois

Applications typiques

Les FPGA sont utilisés dans de nombreux domaines techniques :

Traitement de signal numérique (DSP)
Contrôle industriel en temps réel
Réseaux de télécommunication (y compris la 5G)
Prototypage de circuits ASIC
Applications embarquées critiques (automobile, spatial)

Contrairement aux microcontrôleurs, les FPGA permettent une architecture totalement parallèle. Chaque fonction peut être exécutée simultanément avec d’autres, sans partage de temps processeur, ce qui augmente considérablement les performances dans certaines applications.

Avantages et inconvénients

Avantages	Inconvénients
Flexibilité de reprogrammation	Consommation plus élevée qu’un ASIC
Parallélisme massif	Temps de configuration au démarrage
Adapté au prototypage	Coût unitaire plus élevé en production

Les outils de développement pour FPGA, bien que puissants, nécessitent une courbe d’apprentissage importante. La simulation, la synthèse et le placement-routage sont des étapes techniques indispensables avant toute mise en œuvre réelle.

Pour approfondir, on pourra s’intéresser à la différence entre FPGA et ASIC, deux approches très différentes du design matériel.

FPGA – Réseau logique programmable