FPGA是什么

我們何時(shí)能夠擁有自己的CPU？這是一個(gè)國人都在問的問題。自美國發(fā)動(dòng)貿(mào)易戰(zhàn)以來，這個(gè)話題就更加被頻繁提起，高端芯片的自己自足成為了壓在全國工業(yè)人心頭的一個(gè)大石頭。然而比起CPU，有一種芯片用量少，但更加高端，更加不可缺少，那就是——FPGA。

中國芯，是一直以來的一個(gè)痛點(diǎn)

FPGA是Field Programable Gate Array，翻譯過來叫現(xiàn)場可編程邏輯門陣列。這種芯片和CPU這種專用集成電路（ASIC）的最大區(qū)別就是，它是一種“柔性”的芯片，可以給它燒寫程序，不像CPU，芯片上這個(gè)部分干嘛，那個(gè)部分干嘛，在設(shè)計(jì)過程中就已經(jīng)牢牢固化，一旦被光刻機(jī)透過掩膜完成刻蝕，這塊芯片的使命就算是定了。而FPGA不同，它是由千千萬萬個(gè)可配置的邏輯單元（CLB）組成，這是一種基于查找表（LUT）的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)SRAM組成的查找表內(nèi)寫入不同的內(nèi)容，來實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的靈活配置。FPGA上的組成部分具體可以分為：可編程輸入輸出單元、可編程邏輯單元、完整的時(shí)鐘管理、嵌入塊狀RAM、布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌專用硬件模塊。各個(gè)CLB 之間的連接由一個(gè)兩層金屬線段的格柵組 成, 格柵的交叉連接通過配置程序控制特殊設(shè)計(jì)的傳 輸晶體管的通斷來實(shí)現(xiàn), 從而形成分布在CLB 四周的 眾多可編程的互連點(diǎn)。

Xilinx FPGA的基本單元CLB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由兩片Slice組成

Slice內(nèi)部由查找表LUT，數(shù)據(jù)選通MUX，進(jìn)位器和觸發(fā)器組成，怎么配全看研發(fā)

FPGA內(nèi)部，CLB之間用可編程內(nèi)部連線完成，

同一片F(xiàn)PGA在不同場景下發(fā)揮出不同的作用，而研發(fā)人員只需要用硬件語言HDL（Hardware Design Language）編程后將程序燒入FPGA就可以了。這樣的工作模式使得各種電子設(shè)備的硬件成本有了非常大的下降，因?yàn)樾∫?guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品可以直接使用FPGA，而不需要單獨(dú)開發(fā)一款A(yù)SIC。對(duì)于SoC設(shè)計(jì)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA的出現(xiàn)也無疑是一個(gè)巨大的福音。芯片設(shè)計(jì)人員可以將電路通過HDL語言實(shí)現(xiàn)，寫入FPGA中，然后進(jìn)行驗(yàn)證。有任何BUG都可以在FPGA上先驗(yàn)證完畢后再流片，從而大大降低SoC的設(shè)計(jì)成本；不然有CPU發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)問題就要重新流片再驗(yàn)證，那土豪也玩不起。

FPGA在軍事、航天領(lǐng)域都有哪些用途？

因此在1984年Altera公司發(fā)布第一款FPGA后，就立刻得到了長足發(fā)展。FPGA應(yīng)用范圍非常廣泛。比如在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的ASIC驗(yàn)證，設(shè)計(jì)復(fù)雜實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理和控制的場景都非常需要這款靈活和便于升級(jí)的芯片。面世至今，F(xiàn)PGA已經(jīng)應(yīng)用在了消費(fèi)，汽車，通信，工業(yè)控制，宇航和軍事多個(gè)領(lǐng)域中，而這里面最先應(yīng)用上FPGA的就是軍事和宇航領(lǐng)域。

Altera 第一種FPGA EP300

FPGA在軍用領(lǐng)域尤其重要，多得最多的就是雷達(dá)，通信設(shè)備和電子戰(zhàn)設(shè)備，總之，只要涉及高速信號(hào)采樣的處理平臺(tái)，都繞不過這個(gè)東西。具體的應(yīng)用比如相控陣?yán)走_(dá)的時(shí)空二維濾波，合成孔徑雷達(dá)成像，巡航導(dǎo)彈的地形匹配和末端圖像匹配，紅外導(dǎo)彈的目標(biāo)識(shí)別等等。我們就以有源相控陣?yán)走_(dá)為例看看FPGA的作用。

現(xiàn)在有源相控陣?yán)走_(dá)已經(jīng)取代了其他種類的雷達(dá)成為了軍艦，戰(zhàn)斗機(jī)使用最多的雷達(dá)，誰家新開發(fā)的雷達(dá)要不是相控陣的都不要意思跟別人打招呼。相控陣?yán)走_(dá)由許多個(gè)T/R器件組成，每個(gè)T/R其實(shí)都相當(dāng)于一個(gè)模集成電路板，規(guī)模和你電腦上的一張聲卡，網(wǎng)卡不相上下，甚至更復(fù)雜。這也是相控陣?yán)走_(dá)價(jià)格為啥如此昂貴的原因。一個(gè)T/R通常由3個(gè)MMIC和1個(gè)VLSI（Very-large-scale-integration）。其中2個(gè)MMIC負(fù)責(zé)雷達(dá)波的發(fā)送和接收，1個(gè)負(fù)責(zé)移相和可變放大，而VLSI則是T/R的大腦和心臟，負(fù)責(zé)大量數(shù)據(jù)的處理和信號(hào)控制，這里就要用到FPGA了，F(xiàn)PGA內(nèi)可以寫入一些復(fù)雜的雷達(dá)處理算法，配合DSP可以實(shí)現(xiàn)波束控制，距離跟蹤，速度搜索，脈沖壓縮，波束寬帶信號(hào)的匹配濾波，合成孔徑等復(fù)雜功能。其運(yùn)算能力不亞于一顆專用ASIC，但價(jià)格就要便宜的多了，而且一般情況下要想升級(jí)雷達(dá)，只需要升級(jí)算法重新編程即可。而x86通用處理器的算數(shù)邏輯運(yùn)算單元數(shù)量較少，而且I/O引腳要么是PCIe，SATA，要么是內(nèi)存接口，沒有多少什么可以用的單端控制信號(hào)，用在這樣的場景上顯得很不合適。

FPGA在相控陣?yán)走_(dá)中承擔(dān)復(fù)雜的運(yùn)算和控制功能

FPGA在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中同樣承擔(dān)運(yùn)算和控制，雖然功能不同，但基本算子有很多是一樣的

美國的雷達(dá)自然不必說，雷達(dá)用的都是自家的FPGA了。而在過去相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，其實(shí)像我國，俄羅斯，以及具有雷達(dá)研發(fā)能力的國家其實(shí)都繞不過美國的FPGA。比如俄羅斯米格-35上的“甲蟲”AESA雷達(dá)，這也是俄羅斯第一款機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)。受限于本國落后的電子技術(shù)，俄羅斯只能偷偷的用美國的芯片，不然就要到退回電子管時(shí)代了。

俄羅斯米格-35“甲蟲”雷達(dá)上密密麻麻的天線陣列，每一個(gè)都要對(duì)應(yīng)一片F(xiàn)PGA

米格-35“甲蟲”雷達(dá)的T/R組件，處理端用的就是一顆Altera的FPGA

中國臺(tái)灣省研發(fā)的AESA雷達(dá)，T/R控制和處理端用的就是Xilinx的FPGA

另一個(gè)FPGA在軍事應(yīng)用的例子就是導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭成像、識(shí)別的處理?，F(xiàn)在的紅外導(dǎo)引頭，比如AIM-9X紅外格斗彈的成像分辨率是640X512，已經(jīng)是一幅很清晰的圖像了，這時(shí)候需要FPGA通過運(yùn)行圖像處理算法進(jìn)行降噪，圖像變換，提取邊緣，濾波，提取特征等一些處理。經(jīng)過處理后才可以判斷目標(biāo)為飛機(jī)還是干擾彈。

基于FPGA的Sobel濾波（邊緣提取）

在導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭眼睛里戰(zhàn)斗機(jī)是一幅圖像，需要識(shí)別后才能鎖定

FPGA同樣可以用于宇航用途，在衛(wèi)星，空間站上的電子通信系統(tǒng)，高分辨率相機(jī)，空間探測器上同樣可以發(fā)揮作用，然而宇航級(jí)的FPGA比起商用級(jí)別的要苛刻的多，性能不一定最好，但要能夠抵抗來自宇宙的高能電磁波輻射和高能粒子輻射。目前宇航級(jí)別的FPGA做的最好的還是Altera和Xilinx，而且價(jià)格貴的十分離譜。在這個(gè)領(lǐng)域，美國一改商用FPGA的積極推銷，一片都不允許賣給中國和俄羅斯。比如 XQR5VFX130-1CF1752V，這款芯片可以抗10級(jí)宇宙輻射，原廠賣3-4萬美元一片，但是國內(nèi)有供應(yīng)商報(bào)價(jià)400萬人民幣一片，價(jià)格是原先的10倍不止，原因就是美國壓根就不賣，而且還要嚴(yán)密封鎖。

XQR5VFX130-1CF1752V，有垃圾佬拾到的請(qǐng)聯(lián)系作者

而美國出口的用于芯片驗(yàn)證的FPGA板也是價(jià)格不菲，一個(gè)板子搭配相關(guān)算法就可以賣幾十萬（不含稅）。關(guān)鍵是不買還不行，因?yàn)橹挥忻绹茏霭　?br>

我國的FPGA現(xiàn)狀和未來方向

FPGA最初主要作為一種軍事用途的芯片，而到了后來，隨著汽車電子，無線通信，物聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)駕駛，異構(gòu)計(jì)算并行計(jì)算，人工智能，甚至區(qū)塊鏈等領(lǐng)域的崛起，自然而然地又成為商用和工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的重要元器件。英特爾在2015年大手筆收購了Altera公司，就是為了布局未來，為了可以在自動(dòng)駕駛，人工智能，5G等領(lǐng)域有所建樹，以追求和高通的抗衡。目前全世界FPGA領(lǐng)域只有2個(gè)巨頭，一個(gè)是Xilinx，一個(gè)是Intel（收購的Altera），這兩家可以分走79%以上的的市場份額，剩余3條小魚是Mircochip，Lattice，Quicklogic。Xilinx和Altera兩家給自有自己超全的產(chǎn)品線，Xilinx的產(chǎn)品從低端到高端有Spartan -> Artix -> Kintex -> Virtex系列，此外還有個(gè)帶ARM核的Zynq系列；Intel的Altera有Cyclone->Arria->Stratix系列?？梢哉f客戶想得到的所有領(lǐng)域和細(xì)分市場，都能在他們那里找到對(duì)應(yīng)型號(hào)。

目前我國的國產(chǎn)FPGA有高云、安路、京微齊力、上海復(fù)旦微、紫光同創(chuàng)和AGM等企業(yè)，但我們的市場份額只能在那12%里找，而且也只占一部分，在民用市場中只能占據(jù)低端，近些年正向中端邁進(jìn)。我們的FPGA邏輯門數(shù)量偏少，工藝較為落后。目前國產(chǎn)FPGA工藝普遍在45nm，55nm，而國際領(lǐng)先水平是28nm。

FPGA主要公司的市場占有率

高云半導(dǎo)體的FPGA，LUTs僅相當(dāng)于Xilinx的Spartan-7水平，屬于低端

軍事和航天領(lǐng)域上，我們對(duì)高端FPGA的需求是迫切的，不能妥協(xié)的。軍艦，戰(zhàn)斗機(jī)上搭載的先進(jìn)雷達(dá)離不開高端FPGA，否則性能就會(huì)極其平庸，在作戰(zhàn)中無法取得主動(dòng)。國內(nèi)的中電科和中電集團(tuán)針對(duì)軍用級(jí)別的FPGA研發(fā)也做出了努力。去年，在一次軍民融合展會(huì)上，中國電科就展出了一款完全正向設(shè)計(jì)的3500萬門級(jí)別的FPGA，隨后中國電子也宣布成功設(shè)計(jì)出7000萬門的FPGA。按照xilinx邏輯門數(shù)量粗略計(jì)算，這兩款FPGA分別可以達(dá)到35萬CLB和70萬CLB，這個(gè)水平做到了xilinx高端Virtex系列的XC7V330T和XC7V690T的水平，相當(dāng)于高端FPGA里的中等水平，但和最強(qiáng)的XC7V2000T的190萬CLB這個(gè)級(jí)別相比，還是有較大差距。這樣的成績倒也沒那么悲觀，而且未解密水平的可能還要更好一些；但在航天領(lǐng)域，我們的FPGA應(yīng)該還有較大差距，否則就不會(huì)出現(xiàn)幾百萬一片美國FPGA買不到的情況。

中電科在軍民融合展會(huì)上展出的自主FPGA

未來我國的FPGA發(fā)展，仍然是要在工藝水平和設(shè)計(jì)水平上雙重追趕世界先進(jìn)水平。除此之外，我們可以在嵌入式和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和其他專用計(jì)算上與FPGA融合的路線上發(fā)展，盡快適應(yīng)未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。