FPGA中文全稱為現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray），是邏輯芯片的一種。FPGA自問世以來，經(jīng)過了幾個(gè)不同的發(fā)展階段，在工藝技術(shù)和應(yīng)用需求等因素的驅(qū)動(dòng)下，F(xiàn)PGA的特性和工具都發(fā)生了明顯變化，并在靈活性、性能、功耗、成本之間具有較好的平衡性?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，F(xiàn)PGA芯片早期作為ASIC（專用集成電路）芯片的半定制化電路替代品應(yīng)用于部分場景中，近年來，F(xiàn)PGA芯片在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也不斷拓寬。

什么是FPGA芯片

　　集成電路芯片包括數(shù)字芯片和模擬芯片兩大類，數(shù)字芯片可以分為存儲器芯片和邏輯芯片，我們熟知的邏輯芯片一般包括CPU、GPU、DSP等通用處理器芯片，以及專用集成電路芯片ASIC。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列，F(xiàn)ieldProgrammableGateArray）也是邏輯芯片的一種。

數(shù)字芯片的分類

　　FPGA是在PAL(可編程邏輯陣列)、GAL(通用陣列邏輯)、CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)等傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，繪制出實(shí)現(xiàn)用戶要求的原理圖、編輯布爾方程或用硬件描述語言等方式作為設(shè)計(jì)輸入；然后經(jīng)一系列轉(zhuǎn)換程序、自動(dòng)布局布線、模擬仿真的過程；最后生成FPGA的數(shù)據(jù)文件，對FPGA器件初始化。這樣就實(shí)現(xiàn)了滿足用戶要求的專用集成電路，真正達(dá)到了用戶自行設(shè)計(jì)、自行研制和自行生產(chǎn)集成電路的目的。

　　FPGA與CPU、GPU、ASIC等芯片的核心區(qū)別是：其底層邏輯運(yùn)算單元的連線和邏輯布局未固化。用戶可通過EDA軟件對邏輯單元和開關(guān)陣列編程，進(jìn)行功能配置，從而去實(shí)現(xiàn)特定功能的集成電路芯片。而其他類別邏輯芯片，像ASIC、CPU和GPU等，物理底層邏輯單元的運(yùn)算關(guān)系均已固定且不可變。簡單地說，如果CPU、GPU、ASIC等是像建好的樓房，樓房中房間、走廊及樓梯等格局是已經(jīng)固定了；而FPGA的內(nèi)部類似霍格沃茲中的魔法樓梯，可以隨時(shí)改變房間到房間的路線關(guān)系。

　　FPGA由可編程邏輯塊（CLB）、輸入/輸出模塊（IOB）、可編程互連資源（PIR）等三種可編程電路和用于存放編程數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲器SRAM組成。CLB是實(shí)現(xiàn)邏輯功能的基本單元，它們通常規(guī)則排列成一個(gè)陣列，散布于整個(gè)芯片中。IOB主要完成芯片上的邏輯與外部引腳的接口，通常排列在芯片的四周。PIR提供了豐富的連線資源，包括縱橫網(wǎng)狀連線、可編程開關(guān)矩陣和可編程連接點(diǎn)等，它們將各個(gè)CLB之間、CLB與IOB之間以及IOB之間連接起來，構(gòu)成特定功能的電路。靜態(tài)存儲器SRAM用于存放內(nèi)部IOB、CLB和PIR的編程數(shù)據(jù)，并形成對IOB、CLB及PIR的控制，從而完成系統(tǒng)邏輯功能。

FPGA的基本結(jié)構(gòu)

　　由于FPGA需要被反復(fù)燒寫，它實(shí)現(xiàn)的組合邏輯基本結(jié)構(gòu)無法通過固定的與非門來完成，而只能采用一種易于反復(fù)配置的結(jié)構(gòu)。查找表（Look-Up-Table，簡稱為LUT）可以很好地滿足這一要求。

　　LUT實(shí)質(zhì)上是一個(gè)RAM，當(dāng)用戶描述了一個(gè)邏輯電路后，軟件會計(jì)算所有可能的結(jié)果，并寫入RAM。每一個(gè)信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算，就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容，輸出結(jié)果。這樣也大大加快了FPGA的運(yùn)算速度。目前主流FPGA都采用了基于SRAM工藝的查找表結(jié)構(gòu)，也有一些FPGA采用Flash或反熔絲工藝的查找表結(jié)構(gòu)。

FPGA的發(fā)展歷程

　　自問世以來，F(xiàn)PGA經(jīng)過了幾個(gè)不同的發(fā)展階段。賽靈思于1984年發(fā)明了世界首款FPGA，接下來的幾十年里，這種名為FPGA的器件，在容量和速度上都有大幅度提升，成本和能耗也大大降低。這些進(jìn)步主要由工藝技術(shù)所驅(qū)動(dòng)，而且人們很容易認(rèn)為FPGA的發(fā)展只是隨著工藝的發(fā)展簡單地增大了容量。其實(shí)并沒有這么簡單，真正的FPGA發(fā)展之路要精彩得多。

　　發(fā)明時(shí)代：1984-1992年

　　首款FPGA，即賽靈思XC2064，只包含64個(gè)邏輯模塊，每個(gè)模塊含有兩個(gè)3輸入查找表和一個(gè)寄存器。盡管容量很小，XC2064晶片的尺寸卻非常大，比當(dāng)時(shí)的微處理器還要大，因此，其成本高達(dá)數(shù)百美元。在成本壓力下，F(xiàn)PGA架構(gòu)師尋求通過架構(gòu)和工藝創(chuàng)新來盡可能提高FPGA設(shè)計(jì)效率。由于基于SRAM的FPGA面積比較大，而基于反熔絲的FPGA可以避免SRAM存儲系統(tǒng)片上占位面積過大問題。于是1990年出現(xiàn)的最大容量的FPGA是基于反熔絲的Actel1280。

　　擴(kuò)展時(shí)代：1992-1999年

　　FPGA初創(chuàng)公司都是無晶圓廠的公司，難以獲得領(lǐng)先的芯片技術(shù)。因此FPGA開啟了擴(kuò)展時(shí)代。90年代后期，基于SRAM的FPGA體現(xiàn)出明顯的產(chǎn)品優(yōu)勢，因?yàn)榛赟RAM的器件可立即使用密度更高的新工藝，而反熔絲則額外需要大量時(shí)間。IC代工廠意識到只要能用新工藝產(chǎn)出晶體管和電線，就能制造基于SRAM的FPGA，每一代新工藝的出現(xiàn)都會將晶體管數(shù)量增加一倍，使成本減半，并將FPGA的尺寸增大一倍。此時(shí)，更大的FPGA設(shè)計(jì)需要具有自動(dòng)布局布線功能的綜合工具。到90年代末，自動(dòng)綜合、布局和布線已經(jīng)成為設(shè)計(jì)流程的必要步驟，F(xiàn)PGA公司對EDA工具依賴程度大大增加。

　　積累時(shí)代：2000-2007年

　　新千年伊始，F(xiàn)PGA已成為數(shù)字系統(tǒng)中的通用組件。容量和設(shè)計(jì)尺寸快速增加，使得FPGA在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域開辟了巨大市場。然而，單純提高容量不足以保證市場增長，F(xiàn)PGA廠商通過如下兩種方式解決了這一挑戰(zhàn)。針對低端市場，廠商更關(guān)注效率問題，并生產(chǎn)低容量、低性能的FPGA系列。針對高端市場，F(xiàn)PGA廠商開發(fā)了針對重要功能的軟邏輯(IP)庫，以獲取更高性能的FPGA。此外，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在2000年代發(fā)生了改變。FPGA用戶不再只是實(shí)現(xiàn)邏輯，他們需要使FPGA設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求，這些標(biāo)準(zhǔn)主要是指信號和協(xié)議方面的通信標(biāo)準(zhǔn)，可用來連接外部組件或者實(shí)現(xiàn)內(nèi)部模塊通信。積累時(shí)代末期，F(xiàn)PGA已發(fā)展為集成有可編程邏輯的復(fù)雜功能集，儼然變成了一個(gè)系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)時(shí)代：2008年至今

　　為解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，F(xiàn)PGA越來越多地整合系統(tǒng)模塊：高速收發(fā)器、存儲器、DSP處理單元和完整處理器。同時(shí)還進(jìn)一步集成了重要控制功能：比特流加密與驗(yàn)證、混合信號處理、電源與溫度監(jiān)控以及電源管理等。

　　近年來，F(xiàn)PGA的開發(fā)工具也在不斷發(fā)展。雖然FPGA可使用Verilog或VHDL等低層次硬件描述語言來編程，但系統(tǒng)FPGA需要高效的系統(tǒng)編程語言，目前已有多種高層次綜合(HLS)工具，采用以C/C++等更高層次的語言編寫算法，并將其轉(zhuǎn)換為Verilog或VHDL等低層次的硬件描述語言，以便對FPGA器件進(jìn)行快速編程。

FPGA的優(yōu)勢

　　經(jīng)過多年發(fā)展，F(xiàn)PGA在靈活性、性能、功耗、成本之間具有較好的平衡性。其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　設(shè)計(jì)靈活：屬于硬件可重構(gòu)的芯片結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置數(shù)量豐富的輸入輸出單元引腳及觸發(fā)器。

　　兼容性強(qiáng)：FPGA芯片可與CMOS、TTL等大規(guī)模集成電路兼容，協(xié)同完成計(jì)算任務(wù)。

　　并行計(jì)算：FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)可按數(shù)據(jù)包步驟多少搭建相應(yīng)數(shù)量流水線，不同流水線處理不同數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)流水線并行、數(shù)據(jù)并行功能。

　　適用性強(qiáng)：是專用電路中開發(fā)周期最短、應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)最低的器件之一。

　　相較于CPU，F(xiàn)PGA并行計(jì)算能力可提升運(yùn)算速率并降低時(shí)延。CPU的本質(zhì)是利用大規(guī)模存儲器在時(shí)間維度內(nèi)復(fù)用處理單元，并在強(qiáng)大邏輯數(shù)據(jù)庫支持下實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用邏輯，但同時(shí)也會失去處理單元的并行處理能力。

　　相較于GPU，F(xiàn)PGA在功耗和靈活性等方面具備優(yōu)勢。一方面，由于GPU采用大量的處理單元并且大量訪問片外存儲SDRAM，其計(jì)算峰值更高，同時(shí)功耗也較高，F(xiàn)PGA的平均功耗（10W）遠(yuǎn)低于GPU的平均功耗（200W），可有效改善散熱問題；另一方面，GPU在設(shè)計(jì)完成后無法改動(dòng)硬件資源，而FPGA根據(jù)特定應(yīng)用對硬件進(jìn)行編程，更具靈活性。

　　相較于ASIC芯片，F(xiàn)PGA具備短周期、高性價(jià)比的優(yōu)勢。ASIC需從標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)芯片的功能及性能需求發(fā)生變化時(shí)或者工藝進(jìn)步時(shí)，ASIC需重新投片，由此帶來較高的沉沒成本以及較長的開發(fā)周期；而FPGA包括預(yù)制門和觸發(fā)器，具有編程、除錯(cuò)、再編程和重復(fù)操作等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)芯片功能重新配置。因此早期FPGA常作為定制化ASIC領(lǐng)域的半定制電路出現(xiàn)，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是構(gòu)建原型和開發(fā)設(shè)計(jì)的較快推進(jìn)的路徑之一。

表：四類主流芯片對比

FPGA在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

　　當(dāng)前，隨著AI、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛等新興技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA憑借靈活性、可重構(gòu)性贏得了更多增量市場。由于FPGA芯片通過專用EDA軟件現(xiàn)場對硬件進(jìn)行變成即可實(shí)現(xiàn)具體功能，這樣的高靈活性使得其下游應(yīng)用領(lǐng)域豐富，包括汽車電子、工業(yè)控制、軍事、醫(yī)療、消費(fèi)電子、人工智能等。這些領(lǐng)域增長明確，發(fā)展空間廣闊，是FPGA芯片需求增長核心源動(dòng)力。

　　例如，F(xiàn)PGA通常被應(yīng)用在汽車電子領(lǐng)域中的網(wǎng)關(guān)控制器、車用PC機(jī)、遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)；軍事領(lǐng)域中的安全通信、雷達(dá)、聲納；消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域中的顯示器、投影儀、數(shù)字電視和機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)；醫(yī)療領(lǐng)域中的大型醫(yī)療成像設(shè)備、臨床設(shè)備等方面。

　　在加速轉(zhuǎn)型的工業(yè)領(lǐng)域，企業(yè)對于數(shù)據(jù)處理能力的要求越來越高。此外，隨著制造業(yè)智能工廠的建設(shè)需求越來越盛，設(shè)備的高度靈活性和多功能性顯得尤為重要，新設(shè)備需要具有可重新編程的能力，以應(yīng)對不斷變化的市場標(biāo)準(zhǔn)和多樣化性能需求。FPGA的可重復(fù)編程、并行計(jì)算能力強(qiáng)、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)能很好地滿足上述需求。特別是FPGA在電機(jī)控制、機(jī)器視覺、工業(yè)機(jī)器人等場景的應(yīng)用成為了制造業(yè)構(gòu)建智能工廠的新選擇。

　　當(dāng)前，電機(jī)控制的發(fā)展越來越趨于多樣化、復(fù)雜化，F(xiàn)PGA芯片固有的可編程性和并行處理能力十分適合高端產(chǎn)品的電機(jī)控制，尤其是工業(yè)領(lǐng)域。FPGA以硬件方式進(jìn)行并行處理，并不占用CPU資源，可以促使系統(tǒng)性能達(dá)到最大化。目前很多廠商會將一些優(yōu)化算法整合到FPGA中，可以基于FPGA器件，通過一個(gè)平臺實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)控制，極大程度的提高了能源的利用效率。例如，GEMBO公司與英特爾及貝加萊（B&R）三方合作，聯(lián)合開發(fā)了基于FPGA的端到端的電機(jī)控制和監(jiān)控解決方案，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速和溫度采集及電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

　　在機(jī)器視覺方面，目前主流的工業(yè)相機(jī)解決方案，由于CPU的計(jì)算性能有限，對于計(jì)算復(fù)雜度很高的視覺算法，其處理速度難以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的需求。隨著FPGA集成度越來越高，基于FPGA的嵌入式視覺系統(tǒng)成為機(jī)器視覺發(fā)展的重要方向。例如，英特爾?FPGA解決方案在單個(gè)FPGA上集成多種功能，如圖像采集、攝像頭接口、預(yù)處理和通信功能。隨著攝像頭傳感器不斷進(jìn)行技術(shù)升級，智能互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議攝像頭逐漸取代模擬攝像頭，基于人工智能和深度學(xué)習(xí)的視頻分析取得進(jìn)展，F(xiàn)PGA出色的低延遲、確定性、靈活性都超出了基于視覺的系統(tǒng)所需的許多關(guān)鍵要求。

　　當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)市場增長強(qiáng)勁。由于勞動(dòng)力供應(yīng)的短缺和成本的上升，提高流程效率和自動(dòng)化程度更加迫切。因此，在制造業(yè)，能夠執(zhí)行各種操作和運(yùn)輸任務(wù)的多軸機(jī)器人的使用范圍正在迅速擴(kuò)大。FPGA內(nèi)部豐富的布線資源、嵌入式專用IP、基本可編程邏輯單元等使其可以同時(shí)處理不同種類的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更加靈活的同時(shí)，滿足一些高速接口的時(shí)序要求，這些都是工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)控制功能必備的條件。例如，工業(yè)機(jī)器人制造商安川電機(jī)為了獲得更高的性能和精度，選擇采用多款英特爾?FPGA，用于機(jī)器人控制和伺服控制。

　　可以看到，F(xiàn)PGA所提供的靈活性、優(yōu)秀的并行計(jì)算性能可以幫助制造企業(yè)在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的條件下，極大程度地降低成本、功耗。據(jù)研究機(jī)構(gòu)MarketResearchFuture(MRFR)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到2025年，全球FPGA在工業(yè)市場應(yīng)用占比將從2019年的12%增長至19%，市場前景廣闊。

　　工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級為FPGA的應(yīng)用開辟了新的處女地，帶來了良好的發(fā)展契機(jī)。但在技術(shù)壁壘極高的FPGA領(lǐng)域，不論是芯片架構(gòu)、關(guān)鍵IP、高速接口等芯片硬件設(shè)計(jì)，還是設(shè)計(jì)工具和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，都需要在正確的發(fā)展路徑上不斷積累和加速，才能針對不同的應(yīng)用場景、市場環(huán)境，靈活應(yīng)對，突破重圍。

04

參考文獻(xiàn)

國信證券研究報(bào)告：一文看懂FPGA芯片投資框架

破局工業(yè)4.0，為何非FPGA不可？

https://zhuanlan.zhihu.com/p/112894358

FPGA發(fā)展歷程：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/137157764