Pourquoi les FPGA sont incroyables pour l’émulation de jeux rétro

L’utilisation de FPGA pour reproduire des systèmes de jeux vidéo classiques est une pratique qui prend de l’ampleur depuis quelques années maintenant, mais en quoi ces projets diffèrent-ils de l’émulation logicielle standard ? Et le prix d’entrée élevé en vaut-il la peine pour la plupart des utilisateurs ?

Que signifie FPGA ?

FPGA signifie field-programmable gate array, un type de circuit intégré qui peut être reconfiguré après fabrication. Contrairement à une puce d’ordinateur traditionnelle, les FPGA utilisent des blocs logiques et des interconnexions programmables qui peuvent être reconfigurés pour répondre à une variété d’objectifs différents.

En substance, un FPGA peut être reprogrammé pour agir comme n’importe quel type de circuit numérique. Cela peut être fait encore et encore, simplement en chargeant une nouvelle configuration dans la RAM pour émuler un type de puce différent. Alors que les anciens FPGA utilisaient des schémas de circuit, les nouveaux FPGA utilisent une programmation textuelle pour décrire le comportement.

Ces puces ont une grande variété d’utilisations différentes, notamment dans l’accélération de l’IA et l’apprentissage automatique. Microsoft s’est associé à Intel pour améliorer la recherche Bing en utilisant la famille de FPGA Arria d’Intel. Ils sont utilisés dans les systèmes de traitement du signal et de l’image et jouent un rôle unique en aidant les concepteurs à prouver les concepts dans les premières étapes du développement.

Étant donné que les FPGA peuvent être reprogrammés pour se comporter comme différents types de circuits, encore et encore, ils sont également parfaits pour l’émulation de matériel de jeu vidéo. Au lieu d’exécuter un émulateur dans le logiciel, les FPGA émulent efficacement différents systèmes de jeux vidéo au niveau matériel.

RELATIF : Qu’est-ce que l’apprentissage automatique ?

Comment fonctionne l’émulation de systèmes FPGA ?

L’émulation FPGA nécessite que quelqu’un écrive un « noyau » pour le matériel qui reproduit le comportement du matériel original. Ce processus implique souvent la rétro-ingénierie du matériel d’origine et même le « décapsulage » où le couvercle de protection d’un dissipateur thermique intégré est retiré pour révéler la puce à l’intérieur.

Cela permet une inspection visuelle du circuit intégré pour faciliter la production d’un noyau FPGA fonctionnel. Ce processus délicat implique l’utilisation de produits chimiques comme l’acide sulfurique et l’acétone, la chaleur, des respirateurs et beaucoup de patience. Des images de référence sont ensuite prises, et les cœurs sont écrits dans un langage de description du matériel (HDL) qui peut être interprété par un FPGA.

Le processus d’apprentissage, de rétro-ingénierie et d’écriture d’un cœur FPGA peut prendre des mois et beaucoup de dévouement. Il est impressionnant de constater que nombre de ces cœurs sont ensuite mis à disposition gratuitement dans l’intérêt de la préservation du matériel. Les cœurs sont généralement publiés en version bêta afin de pouvoir être améliorés et le développement peut durer des années.

Bien qu’elle émule le matériel original, l’émulation FPGA est toujours sujette à des erreurs, tout comme l’émulation logicielle. Les noyaux sont régulièrement mis à jour et de nouveaux correctifs et changements sont apportés afin d’obtenir une émulation matérielle parfaite.

Quels sont les avantages des FPGA ?

L’émulation matérielle FPGA est ce qui se rapproche le plus de l’utilisation d’un système original, ce qui permet une expérience authentique. Cela peut inclure les bizarreries qui étaient présentes sur le matériel original, en supposant que le noyau fournit une réplique 1:1 de l’original. Les problèmes comme la latence qui peuvent être présents avec les émulateurs logiciels sont résolus puisque l’émulation a lieu à un niveau (matériel) beaucoup plus bas.

Le matériel original peut être peu fiable, surtout lorsqu’il vieillit. Reproduire le comportement des circuits originaux avec un FPGA est un moyen de préserver le matériel original et peut être déployé à l’infini. Lorsque ces projets sont mis en open source, tout le monde peut en bénéficier à condition de posséder le matériel FPGA requis.

Pour la plupart des gens, il est plus pratique de posséder une seule pièce de matériel qui peut être reprogrammée à la volée. Le matériel original peut coûter cher, prendre de la place et être difficile à trouver dans le cas d’ordinateurs rares ou de cartes d’arcade. Ce matériel ne rajeunit pas, et comme la production a cessé depuis longtemps, il peut être difficile à réparer ou à remplacer.

Puisque le système est émulé au niveau matériel, les systèmes devraient être capables de s’interfacer avec à peu près tout le matériel conçu pour cette plateforme. Cela inclut les cartouches originales, les périphériques et les accessoires qui n’étaient pas nécessairement pris en compte lorsque le noyau a été écrit.

Ceci est différent des émulateurs logiciels qui doivent prendre en compte les différents périphériques que l’opérateur veut utiliser (comme un pistolet léger, par exemple).

MiSTer : Emulation matérielle FPGA pour la maison

MiSTer FPGA est un projet FPGA open-source dédié à l’émulation et à la préservation des consoles, des ordinateurs de salon et des machines d’arcade. Il s’agit du projet le plus abouti de ce type, avec des centaines de cœurs disponibles et en développement actif.

Le seul composant « requis » pour faire fonctionner un FPGA MiSTer est le DE10-Nano, un petit dispositif semblable à un Raspberry Pi- qui abrite un système sur puce Cyclone V. Le DE10-Nano peut être étendu avec de la mémoire vive supplémentaire. La carte peut être étendue avec de la RAM supplémentaire, un hub USB et des extensions d’entrée/sortie qui ajoutent des fonctionnalités telles que la sortie VGA, la sortie SCART ou la sortie JAMMA pour les bornes d’arcade.

Pour commencer, vous aurez besoin d’un DE10-Nano, d’un boîtier et d’un système de refroidissement. Pour une émulation plus avancée, une extension de RAM est nécessaire. Vous pouvez étendre votre configuration FPGA MiSTer pour répondre à votre objectif en utilisant des modules d’extension de revendeurs comme MiSTer Addons ou Ultimate MiSTer. Vous devrez ensuite configurer votre carte SD avec la dernière version de MiSTer.

Le processus est plus impliqué que l’utilisation d’émulateurs « traditionnels » mais nécessite toujours des fichiers de données et des ROMs, tout comme un émulateur logiciel. Si vous êtes un passionné qui veut une expérience comparable au matériel original, rien ne vaut MiSTer. Pour les autres, c’est beaucoup de dépenses pour accomplir quelque chose qui peut être fait gratuitement via l’émulation logicielle.

RELATIF : Comment jouer à vos jeux NES, SNES et autres jeux rétro préférés sur votre PC avec un émulateur ?

Analogue Pocket : Emulation matérielle FPGA sur le pouce

L’Analogue Pocket est une console portable multi-systèmes qui utilise l’émulation FPGA pour s’interfacer avec les cartouches originales du Game Boy, du Game Boy Color et du Game Boy Advance. Il existe également des adaptateurs de cartouches pour les systèmes Game Gear, Neo Geo Pocket, Atari Lynx et TurboGrafx-16.

Le système prend en charge des avancées modernes comme la possibilité de suspendre le jeu en mettant la console en veille. La Pocket est dotée d’un superbe écran qui recrée des caractéristiques telles que des motifs de grille de pixels et des effets de rétroéclairage LCD. Elle peut également être connectée à un dock (vendu séparément) pour être jouée sur un téléviseur via HDMI.

À 219,99 $, c’est une belle console de poche qui plaira à tous ceux qui possèdent une bonne collection de cartouches originales. Il n’est pas possible de charger des ROMs à partir d’un logiciel, mais l’Analogue Pocket est compatible avec n’importe quelle carte flash fonctionnant avec du matériel original.

Les inconvénients des FPGA pour les jeux rétro

Le plus gros inconvénient de l’utilisation des FPGA pour jouer à des jeux rétro est le prix. Les émulateurs logiciels modernes fonctionnent sur à peu près tous les appareils, des vieux ordinateurs aux smartphones. La plupart sont gratuits et beaucoup sont des projets entièrement open-source. Certains ont subi des décennies de développement et sont hautement configurables.

Le FPGA MiSTer et Analogue Pocket sont des hobbies coûteux à mettre en place. Le projet MiSTer, en particulier, pourrait facilement coûter plus de 500 $ avec suffisamment d’accessoires, et bien que ce soit un bon rapport qualité-prix par rapport à une simple carte d’arcade ou à un ordinateur domestique rare, il est difficile à vendre pour quiconque ne cherche pas une émulation parfaite au pixel près.

La disponibilité est également un problème. À l’heure où nous écrivons ces lignes, en février 2022, le DE-10 Nano est épuisé partout et l’Analogue a une liste d’attente d’un an pour le prochain lot de consoles Pocket. Les choses sont aggravées par la pénurie mondiale de semi-conducteurs et les scalpers qui pratiquent des prix exorbitants sur les sites Web des revendeurs.

L’émulation logicielle et le matériel moderne ont atteint un niveau tel que de nombreux joueurs occasionnels ne remarquent pas la différence entre un émulateur logiciel et le matériel original. Les projets FPGA comme MiSTer et Pocket s’adressent directement aux passionnés. Le prix et la disponibilité devraient s’améliorer avec le temps, de sorte que l’avenir de l’émulation matérielle FPGA est très prometteur.

Autres moyens d’émuler les classiques

Il existe des moyens moins chers et plus faciles de se lancer dans l’émulation dès maintenant. Il y a de fortes chances que l’appareil que vous utilisez pour lire ceci puisse faire tourner un émulateur multi-système comme RetroArch.

L’une des machines d’émulation domestiques les plus rentables actuellement est la Xbox Series S (ou Series X), que l’on peut trouver relativement facilement et utiliser pour faire tourner un grand nombre de noyaux RetroArch. Si vous cherchez quelque chose de portable, consultez plutôt les derniers émulateurs portables fonctionnant sous Linux et Android.