Por que FPGAs são incríveis para emulação de jogos retrô

Usar FPGAs para replicar sistemas clássicos de videogame é uma prática que vem ganhando força há alguns anos, mas como esses projetos diferem da emulação de software padrão? E o preço alto de entrada vale a pena para a maioria dos usuários?

O que significa FPGA?

FPGA significa field-programmable gate array, um tipo de circuito integrado que pode ser reconfigurado após a fabricação. Ao contrário de um chip de computador tradicional, os FPGAs usam blocos lógicos programáveis ​​e interconexões que podem ser reconfiguradas para atender a uma variedade de propósitos diferentes.

Em essência, um FPGA pode ser reprogramado para atuar como qualquer tipo de circuito digital. Isso pode ser feito repetidamente simplesmente carregando uma nova configuração na RAM para emular um tipo diferente de chip. Enquanto os FPGAs mais antigos usavam diagramas de circuito, os novos usam programação baseada em texto para descrever o comportamento.

Esses chips têm uma ampla variedade de usos diferentes, principalmente em aceleração de IA e aprendizado de máquina . A Microsoft fez uma parceria com a Intel para aprimorar a pesquisa do Bing usando a família Arria de FPGAs da Intel . Eles são usados ​​em sistemas de processamento de sinal e imagem e têm um papel único em ajudar os designers a provar conceitos nos estágios iniciais de desenvolvimento.

Como os FPGAs podem ser reprogramados para se comportar como diferentes tipos de circuitos repetidamente, eles também são perfeitos para emulação de hardware de videogame. Em vez de executar um emulador em software, os FPGAs emulam efetivamente diferentes sistemas de videogame em nível de hardware.

Como funciona a emulação do sistema FPGA?

A emulação de FPGA requer que alguém escreva um “núcleo” para o hardware que reproduz o comportamento do hardware original. Esse processo geralmente envolve hardware original de engenharia reversa e até mesmo “descapamento”, onde a tampa protetora em um dissipador de calor integrado é removida para revelar a matriz interna.

Isso permite a inspeção visual do circuito integrado para auxiliar na produção de um núcleo FPGA em funcionamento. Esse delicado processo envolve o uso de produtos químicos como ácido sulfúrico e acetona, calor, respiradores e muita paciência. Imagens de referência são então obtidas e os núcleos são escritos em uma linguagem de descrição de hardware (HDL) que pode ser interpretada por um FPGA.

O processo de aprendizado, engenharia reversa e escrita de um núcleo FPGA pode levar meses e muita dedicação. Impressionantemente, muitos desses núcleos são disponibilizados gratuitamente no interesse da preservação do hardware. Os núcleos geralmente são lançados em um estado beta para que possam ser aprimorados e o desenvolvimento possa durar anos.

Apesar de emular hardware original, a emulação FPGA ainda é propensa a erros, assim como a emulação de software. Os núcleos são atualizados regularmente à medida que mais correções e alterações são implementadas na busca da emulação de hardware perfeita.

Quais são os benefícios do FPGA?

A emulação de hardware FPGA é a coisa mais próxima de jogar em um sistema original, por isso oferece uma experiência autêntica. Isso pode incluir peculiaridades que estavam presentes no hardware original, supondo que o núcleo esteja fornecendo uma réplica 1:1 do original. Problemas como latência que podem estar presentes com emuladores de software são resolvidos, pois a emulação está ocorrendo em um nível muito mais baixo (hardware).

O hardware original pode não ser confiável, especialmente à medida que envelhece. Reproduzir a maneira como os circuitos originais se comportam com um FPGA é um meio de preservar o hardware original e pode ser implantado repetidamente. Quando esses projetos são feitos de código aberto , qualquer pessoa pode se beneficiar deles, desde que possua o hardware FPGA pré-requisito.

Para a maioria das pessoas, é mais prático possuir uma única peça de hardware que pode ser reprogramada em tempo real. O hardware original pode ser caro, ocupa espaço e pode ser difícil de encontrar no caso de computadores raros e placas de arcade. Este hardware não está ficando mais novo e, como a produção cessou há muito tempo, pode ser difícil reparar ou substituir.

Como o sistema está sendo emulado em um nível de hardware, os sistemas devem ser capazes de interagir com praticamente qualquer hardware projetado para essa plataforma. Isso inclui cartuchos, periféricos e acessórios originais que não foram necessariamente contabilizados quando o núcleo foi gravado.

Isso é diferente dos emuladores de software que devem levar em consideração os diversos dispositivos que o operador deseja usar (como uma pistola leve, por exemplo).

MiSTer: Emulação de hardware FPGA para o lar

MiSTer FPGA é um projeto FPGA de código aberto dedicado à emulação e preservação de consoles, computadores domésticos e máquinas de fliperama. É o projeto de maior sucesso de seu tipo, com centenas de núcleos disponíveis e em desenvolvimento ativo.

O único componente “necessário” para rodar um MiSTer FPGA é o DE10-Nano, um pequeno dispositivo semelhante ao Raspberry Pi que abriga um sistema em chip Cyclone V. A placa pode ser expandida com RAM adicional, um hub USB e expansões de entrada/saída que adicionam funcionalidades como saída VGA, saída SCART ou saída JAMMA para gabinetes de arcade.

Para começar, você precisará de um DE10-Nano , um estojo e um pouco de refrigeração. Para emulação mais avançada, é necessária uma expansão de RAM. Você pode expandir sua configuração do MiSTer FPGA para se adequar ao propósito pretendido usando módulos complementares de revendedores como MiSTer Addons  ou Ultimate MiSTer . Você precisará  configurar seu cartão SD com a versão mais recente do MiSTer .

O processo é mais complicado do que usar emuladores “tradicionais”, mas ainda requer arquivos de dados e ROMs como um emulador de software. Se você é um entusiasta que deseja uma experiência comparável ao hardware original, não há como vencer o MiSTer. Para outros, é muito caro realizar algo que pode ser feito gratuitamente via emulação de software .

Bolso analógico: Emulação de hardware FPGA em movimento

O Analogue Pocket é um dispositivo portátil multi-sistema que usa emulação FPGA para fazer interface com os cartuchos originais do Game Boy, Game Boy Color e Game Boy Advance. Existem adaptadores de cartucho adicionais para sistemas Game Gear, Neo Geo Pocket, Atari Lynx e TurboGrafx-16 também.

O sistema suporta avanços modernos, como a capacidade de suspender o jogo dormindo no console. O Pocket possui uma bela tela que recria características como padrões de grade de pixels e efeitos de luz de fundo do LCD. Também pode ser conectado a um dock (vendido separadamente) para ser reproduzido em uma TV via HDMI .

Por US $ 219,99, é um belo portátil que atrairá qualquer pessoa com uma coleção saudável de cartuchos originais. Não há capacidade de carregar ROMs de software, mas o Analogue Pocket é compatível com qualquer flashcart que funcione com hardware original.

As desvantagens dos FPGAs para jogos retrô

A maior desvantagem de usar FPGAs para jogar jogos retrô é o preço. Os emuladores de software modernos são executados em praticamente qualquer dispositivo, de computadores antigos a smartphones. A maioria é gratuita e muitos são projetos totalmente de código aberto. Alguns passaram por décadas de desenvolvimento e são altamente configuráveis.

O MiSTer FPGA e o Analogue Pocket são hobbies caros para entrar. O projeto MiSTer, em particular, poderia facilmente custar mais de US$ 500 com complementos suficientes e, embora isso seja de grande valor comparado a uma única placa de arcade ou computador doméstico raro, é uma venda difícil para quem não está procurando por pixel- emulação perfeita.

A disponibilidade também é uma preocupação. No momento em que escrevo, em fevereiro de 2022, o DE-10 Nano está esgotado em todos os lugares e o Analogue tem uma lista de espera de um ano para o próximo lote de consoles Pocket. As coisas são agravadas pela escassez global de semicondutores e cambistas que estão cobrando preços exorbitantes em sites de revendedores.

A emulação de software e o hardware moderno avançaram a um nível em que muitos jogadores casuais não notam a diferença entre um emulador de software e o hardware original. Projetos de FPGA como o MiSTer e o Pocket são voltados diretamente para os entusiastas. O preço e a disponibilidade devem melhorar com o tempo, então o futuro da emulação em nível de hardware FPGA é muito brilhante.

Outras maneiras de emular os clássicos

Existem maneiras mais baratas e fáceis de entrar na emulação agora. Há uma boa chance de que o dispositivo que você está usando para ler isso possa executar um emulador de vários sistemas como o RetroArch .

Uma das máquinas de emulador doméstico de melhor valor no momento é o Xbox Series S (ou Series X), que pode ser encontrado com relativa facilidade e usado para executar um grande número de núcleos RetroArch . Se você estiver procurando por algo portátil, confira os mais recentes emuladores portáteis baseados em Linux e Android .