FPGA的工作原理及主要產(chǎn)商

1.FPGA是什么？

FPGA（Field Programmable Gate Array）：現(xiàn)場可編程門陣列，其作為一種半定制芯片，具有現(xiàn)場可編程性，非常靈活，可重復(fù)使用的特點(diǎn)，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路有限的缺點(diǎn)，適合要求物理運(yùn)算邏輯持續(xù)更迭的應(yīng)用，例如人工智能算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)通信等。由于FPGA還可以重新編程，因此計(jì)算機(jī)用戶可以使用FPGA現(xiàn)場可編程門陣列自定義微處理器的功能，以滿足特定的個(gè)性化需求。

更通俗的理解，F(xiàn)PGA沒有出現(xiàn)之前，可以把集成電路可以看做為一幢建好的房子，一旦竣工就不能修改它的主體機(jī)構(gòu)，期間也會(huì)浪費(fèi)很多材料。而FPGA可以類比成建造分房子所需要的零部件或者堆積木的零件，想可以根據(jù)你的想法自由組合，如過不滿意，可以拆了重新搭建，這個(gè)過程就叫做可編程邏輯。

2.FPGA的工作原理

FPGA芯片主要包含以下模塊：

1.可配置的邏輯塊

現(xiàn)場可編程門陣列的基本構(gòu)建模塊是CLB。它是一個(gè)邏輯單元，可以設(shè)置或編程以執(zhí)行特定任務(wù)。連接塊連接到基本構(gòu)建基塊。其組件包括攜帶和控制邏輯、晶體管對和查找表（LUT）。以此執(zhí)行設(shè)計(jì)所需的邏輯操作。同時(shí)，可以使用基于邏輯的多路復(fù)用器或LUT來創(chuàng)建CLB?；贚UT邏輯中的模塊由D觸發(fā)器，查找表和2：1多路復(fù)用器組成。然后，多路復(fù)用器選擇正確的輸出。

2.可編程互連

位于不同邏輯塊中的邏輯單元之間的所有獨(dú)特連接都存在于現(xiàn)場可編程門陣列的這一區(qū)域中。包含多個(gè)基本半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)盒通常用于實(shí)現(xiàn)互連。這些電氣可編程鏈路為這些可編程邏輯模塊提供了路徑，不同長度的線段可以沿著布線路徑找到，并由電氣可編程開關(guān)連接。FPGA密度由用于布線路徑的器件數(shù)量決定。FPGA的單元或輸入焊盤的輸出可以連接到電路中的任何其他單元或焊盤，利用對每個(gè)現(xiàn)場可編程門陣列至關(guān)重要的可編程互連點(diǎn)。

3.可編程路由

可編程路由至關(guān)重要，因?yàn)樗ǔＵ冀Y(jié)構(gòu)表面的百分之五十以上以及應(yīng)用程序的關(guān)鍵路由延遲?？删幊滩季€由預(yù)制線段和預(yù)配置的開關(guān)組成。通過配置正確的開關(guān)組合，功能塊的任何輸出都可以鏈接到任何輸入。設(shè)計(jì)本質(zhì)上是分層的，高級組件實(shí)例化較低級別的模塊并鏈接其中的信號，從而為可編程門陣列提供了動(dòng)力。可編程門陣列可以使用連接芯片離散部分的短線來構(gòu)建這些連接，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)中靠近在一起的模塊之間更頻繁地進(jìn)行通信。FPGA的密度和性能受到路由設(shè)計(jì)的影響。

4.可編程I/O模塊

接口引腳用于將邏輯模塊與外部組件連接起來。現(xiàn)場可編程門陣列和外部電路之間的接口是IOB（輸入輸出模塊），這是一種可編程輸入和輸出器件，用于滿足各種電氣特性下輸入/輸出信號的驅(qū)動(dòng)和匹配需求。I/O塊將路由體系結(jié)構(gòu)和CLB連接到外部元素。在封裝引腳和器件的底層電路之間，輸入/輸出模塊提供可編程的單向或雙向連接。實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需要從頭開始構(gòu)建電路，因?yàn)橐郧暗默F(xiàn)場可編程門陣列缺乏運(yùn)行任何軟件的處理器。因此，F(xiàn)PGA可能被編程為像OR門一樣簡單，或者像多核處理器一樣復(fù)雜。

5.片上存儲器

集成在FPGA邏輯塊中的FFS是FPGA系統(tǒng)中片上存儲元件的一種形式。目前，隨著現(xiàn)場可編程門陣列邏輯容量的提高，其被用于更廣泛的系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)幾乎總是需要存儲器來緩沖和重用芯片上的數(shù)據(jù)。構(gòu)建由寄存器和LUT組成的大型RAM的密度比SRAM塊低100倍左右，因此還需要具有更密集的片上存儲。此外，在現(xiàn)場可編程門陣列上實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序的RAM要求差異大不相同。

6.數(shù)字信號處理（DSP）模塊

在運(yùn)輸鏈之前，商業(yè)現(xiàn)場可編程門陣列系統(tǒng)中使用的專用算術(shù)電路是加法器。由于需要在利用LUT和攜帶鏈的軟邏輯中加入乘法器，因此產(chǎn)生了嚴(yán)重的面積和延遲損失。且用于現(xiàn)場可編程門陣列的高乘法器密度信號處理和通信應(yīng)用具有相當(dāng)大的市場份額，設(shè)計(jì)人員開發(fā)了新穎的實(shí)現(xiàn)來解決軟邏輯乘法器實(shí)現(xiàn)效率低下的問題，這稱為數(shù)字信號處理或DSP。

無乘法分布式算術(shù)技術(shù)是使用基于LUT的現(xiàn)場可編程門陣列創(chuàng)建高效有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器設(shè)計(jì)的一種方法。乘法器是FPGA系統(tǒng)中作為專用電路進(jìn)行強(qiáng)化的主要候選者，因?yàn)樗鼈冊陉P(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計(jì)中普遍存在，并且在軟邏輯中實(shí)現(xiàn)時(shí)尺寸、延遲和功耗的降低。

7.系統(tǒng)級互連

DDR內(nèi)存和以太網(wǎng)的興起只是FPGA容量和帶寬穩(wěn)步增長的幾個(gè)原因。管理這些高頻端口和不斷增長的結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)流量是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。這種系統(tǒng)級鏈路過去是通過設(shè)置特定的FPGA邏輯和路由元件來形成軟總線來建立的，總線在必要的端點(diǎn)之間完成流水線多路復(fù)用和布線。更寬總線是匹配這些外部接口帶寬的唯一方法，因?yàn)樗鼈円员痊F(xiàn)場可編程門陣列結(jié)構(gòu)更高的頻率運(yùn)行。由于大量和物理上很長的總線的組合，定時(shí)閉合具有挑戰(zhàn)性，并且通常需要對總線進(jìn)行相當(dāng)大的流水線處理，從而增加了資源消耗。

3.FPGA 的主要廠商

目前，國內(nèi)FPGA兩大主要廠商是AMD（xilinx）和 Intel（altera）的FPGA。

3.1 AMD（xilinx）

Xilinx是全球領(lǐng)先的可編程邏輯完整解決方案的供應(yīng)商，2022年被AMD以350億美元全股份交易的方式收購Xilinx。

其開發(fā)工具：Vivado和ISE。ISE是老開發(fā)軟件，目前基本上已經(jīng)被vivado取代，只有xilinx公司的一些十幾年前生產(chǎn)的FPGA才使用ISE開發(fā)，新的FPGA都支持更好用的vivado。其第六代及以前的產(chǎn)品的開發(fā)工具為ISE ，從第七代產(chǎn)品開始，已全部轉(zhuǎn)移到vivado平臺。

其FPGA主要產(chǎn)品包括：

1、Spartan系列：定位于低端市場，目前最新器件為Spartan7，為28nm工藝，Spartan6以前都是45nm工藝，該系列器件價(jià)格實(shí)惠，邏輯規(guī)模相對較小。

2、Artix系列：Xilinx推出Artix系列FPGA產(chǎn)品，其目的應(yīng)該是作為低端Spartan和中高端Kintex系列FPGA的過渡產(chǎn)品，尤其在通信接口方面，Artix系列相比Spartan有很大優(yōu)勢。所以，如果設(shè)計(jì)不是僅僅需要邏輯資源，而是需要先進(jìn)的高速接口，不妨考慮Artix系列。

3、Kintex和Virtex系列為Xilinx的中、高端產(chǎn)品，包含有28nm的Kintex7和Virtex7系列，20nm的Kintex7 Ultrascale和Virtex7 Ultrascale系列，還有16nm的Kintex7 Ultrascale+ 和Virtex7 Ultrascale+系列。其擁有豐富的高速接口，主要用于通信，雷達(dá)，信號處理，IC驗(yàn)證等高端領(lǐng)域。

4、全可編程SoC和MPSoC系列，包括有Zynq-7000和Zynq UltraScale+ MPSoC系列FPGA，內(nèi)嵌有ARM Cortex系列CPU內(nèi)核。

3.2 Intel（altera）

altera：是與Xilinx齊名的FPGA供應(yīng)商。2015年被CPU芯片界的巨頭Intel以167億美元收購，因此現(xiàn)在也稱為Intel的FPGA。

開發(fā)工具：QuartusII。

其主要產(chǎn)品包括：

1、MAXII系列：MAXII 系列為CPLD, Altera以其CPLD聞名。

2、Cyclone系列：最新為Cyclone10，性價(jià)比高，類似于xilinx 公司的Spartan系列和Artix系列。

3、Stratix系列：最新為Stratix10，為高端應(yīng)用，與Xilinx的Kintex、Virtex系列競爭。

4、Arria系列：SOC系列FPGA, 內(nèi)置ARM Cotex A9的核。

5、Intel的新產(chǎn)品arria 10 fpga系列：支持DDR4存儲器接口的FPGA。硬件設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用最新的Quartus II軟件v14.1，在Arria10 FPGA和SoC設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)DDR4數(shù)據(jù)讀寫

此外，Lattice、Actel、Atmel等公司也有FPGA產(chǎn)品，由于市場份額小，市面上很少見到，此處不再介紹。相較于國際大廠，中國本土FPGA廠商整體實(shí)力較弱，廠商在技術(shù)水平、軟件易用性、市占率等方面都與國際大廠存在一定差距，主要以偏低端的CPLD和小規(guī)模FPGA器件為主。代表企業(yè)包括復(fù)旦微電子、紫光同創(chuàng)（紫光國微持股）、安路科技和高云半導(dǎo)體、西安智多晶、京微齊力、上海遨格芯和成都華微科技。

4.FPGA產(chǎn)品最新進(jìn)展

4.1 Intel產(chǎn)品

2022年11月14日，英特爾?FPGA中國技術(shù)周線上開幕，其最新推出的基于Intel 7制程工藝的Agilex D系列和Sundance Mesa系列的FPGA的相關(guān)產(chǎn)品路線圖，可用于數(shù)據(jù)中心的5G、AI場景，相比于上代Stratix 10可以將性能提高45％，功耗則降低40％。相關(guān)產(chǎn)品路線圖如下：

• 英特爾? Agilex? D系列FPGA：采用 Intel 7 制程工藝，能夠?qū)⑵湫阅軘U(kuò)展至中端 FPGA 應(yīng)用中，且在擁有高性能的同時(shí)，可提供相較于目前Agilex F/I/M 系列更小的外形規(guī)格及更低的功率與密度。預(yù)計(jì)于2023 年上半年英特爾? Quartus? Prime Software開始支持該產(chǎn)品，2023 年下半年上市，2024 年上半年投產(chǎn)。
• 全新英特爾? Agilex? FPGA（代號Sundance Mesa）：采用Intel 7 制程工藝，旨在為邊緣、嵌入式等應(yīng)用場景提供高能效的性能。與英特爾Agilex? D系列FPGA相比，Sundance Mesa憑借更低功耗、更小外形規(guī)格和邏輯密度的優(yōu)勢，擁有更廣闊的應(yīng)用市場。預(yù)計(jì)于2023 年上半年英特爾Quartus Prime Software開始支持該產(chǎn)品，2023 年下半年上市，2024 年上半年投產(chǎn)。
• 支持CXL和PCIe 5.0的英特爾Agilex? FPGA：基于Intel 7制程工藝和芯粒設(shè)計(jì)，其不僅能夠支持Compute Express Link（CXL）和PCIe 5.0，亦提供了高帶寬，從而為要求極為苛刻的處理器工作負(fù)載提供更大的加速。目前，該產(chǎn)品的首批設(shè)備正在出貨給早期客戶。
• 英特爾 Tofino擴(kuò)展架構(gòu)：基于Intel 7制程工藝和P4可編程性，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更大的性能優(yōu)化靈活性，亦能夠在開放標(biāo)準(zhǔn)的情況下達(dá)到較低TCO（總體擁有成本）

4.2 AMD產(chǎn)品

AMD基于產(chǎn)業(yè)在 2022 年及今后普遍面臨供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)，很多細(xì)分市場，例如汽車電子、工業(yè)應(yīng)用、數(shù)據(jù)中心等客戶需要更長的產(chǎn)品壽命（通常要求 15 年的生命周期），許多產(chǎn)品還需支持更長的生命周期。AMD -賽靈思正式宣布對所有 7 系列 FPGA 和自適應(yīng) SoC 的支持將至少延長至 2035 年。包括等Spartan-7、Artix-7、 Zynq-7000 SoC 、Kintex-7、Virtex-7系列產(chǎn)品。

• Spartan-7系列是7系列中的入門芯片。擁有最低的價(jià)格、最低的功耗、最小的尺寸以及最低的設(shè)計(jì)難度，一些低端應(yīng)用中極為合適。能以小型封裝提供高單位功耗性能
• Artix-7系列是7系列中的中端系列芯片，相對Spartan7系列增加了串行收發(fā)器和DSP功能，其邏輯容量也更大，適合邏輯一些稍微復(fù)雜的中低端應(yīng)用。能以低功耗提供高收發(fā)器帶寬。
• Zynq-7000 SoC 將基于 Arm 處理器的軟件可編程性與 FPGA 的硬件可編程性相結(jié)合。
• Kintex-7系列是7系列中的中高端系列，是在所有系列中擁有最佳的性價(jià)比，無論是內(nèi)核數(shù)量還是邏輯容量，都能滿足全部中低端、以及部分芯片高端應(yīng)用需求。
• Virtex-7系列是7系列中的旗艦高端系列，價(jià)格高昂，只在高端應(yīng)用中使用，在中低端應(yīng)用顯得大材小用。