一文了解FPGA技術(shù)知識

FPGA 是可以先購買再設(shè)計(jì)的“萬能”芯片。FPGA （Field Programmable Gate Array）現(xiàn)場可編程門陣列，是在硅片上預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有可編程特性的集成電路，它能夠按照設(shè)計(jì)人員的需求配置為指定的電路結(jié)構(gòu)，讓客戶不必依賴由芯片制造商設(shè)計(jì)和制造的 ASIC 芯片。廣泛應(yīng)用在原型驗(yàn)證、通信、汽車電子、工業(yè)控制、航空航天、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。Altera LUT4 架構(gòu)FPGA 硬件三大指標(biāo)：制程、門級數(shù)及?SERDES速率，配套 EDA 軟件工具同樣重要。比較 FPGA 產(chǎn)品可以從技術(shù)指標(biāo)入手。從 FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，主要包括：可編程輸入/輸出單元（I/O）、可編程邏輯塊（LC）、 完整的時(shí)鐘管理（CMT）、嵌入塊式 RAM（BRAM）、布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和專用硬件模塊等。根據(jù)賽靈思披露的數(shù)據(jù)，一個(gè) LUT6 等效 1.6 個(gè) LC，一個(gè) LC 對應(yīng)幾十到上百“門”，1000 萬門約等于 10 萬 LC，即 100K CLB 級別 FPGA。與 ASIC 不同的是，客戶在選購 FPGA 產(chǎn)品不僅考慮硬件參數(shù)，配套 EDA 軟件的性能也同樣重要。目前國內(nèi)廠商高端產(chǎn)品在硬件性能指標(biāo)上均與賽靈思高端產(chǎn)品有較大差距。相對于ASIC，F(xiàn)PGA具有3點(diǎn)優(yōu)勢：

• 1、可編輯，更靈活
• 2、產(chǎn)品上市時(shí)間短，節(jié)省了 ASIC流片周期
• 3、避免一次性工程費(fèi)用，用量較小時(shí)具有成本優(yōu)勢。

1）靈活性：通過對 FPGA 編程，F(xiàn)PGA 能夠執(zhí)行 ASIC 能夠執(zhí)行的任何邏輯功能。FPGA 的獨(dú)特優(yōu)勢在于其靈活性，即隨時(shí)可以改變芯片功能，在技術(shù)還未成熟的階段，這種特性能夠降低產(chǎn)品的成本與風(fēng)險(xiǎn)，在 5G 初期這種特性尤為重要。2）上市時(shí)間：由于 FPGA 買來編程后既可直接使用，F(xiàn)PGA 方案無需等待三個(gè)月至一年的芯片流片周期，為企業(yè)爭取了產(chǎn)品上市時(shí)間。3）成本：FPGA 與 ASIC 主要區(qū)別在 ASIC 方案有固定成本而 FPGA 方案幾乎沒有，在使用量小的時(shí)候，F(xiàn)PGA 方案由于無需支付一次性百萬美元的流片成本，同時(shí)也不用承擔(dān)流片失敗風(fēng)險(xiǎn)，F(xiàn)PGA 方案的成本低于 ASIC，隨著使用量的增加，F(xiàn)PGA 方案在成本上的優(yōu)勢逐漸縮小，超過某一使用量后，ASIC 方案由于大量流片產(chǎn)生了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，在成本上更有優(yōu)勢。FPGA 方案和 ASIC 方案成本比較4）技術(shù)趨勢：制程迭代驅(qū)動 33 年發(fā)展，平臺型產(chǎn)品是未來。1985 年賽靈思發(fā)明 FPGA 以來，其容量提高了一萬倍以上，速度提高了一百倍以上，價(jià)格和能耗縮小了一千倍以上。受到先進(jìn)制程迭代的推動，F(xiàn)PGA 的架構(gòu)不斷更新。1985 年，Xilinx 公司推出了全球第一款 FPGA 產(chǎn)品 XC2064，采用 2μm 工藝，包含 64 個(gè)邏輯模塊和 85,000 個(gè)晶體管，門數(shù)量不超過 1000 個(gè)。對比 2016 年賽靈思發(fā)布的 VIRTEX UltraScale，16nm 制程，系統(tǒng)邏輯單元最高達(dá)378 萬個(gè)。FPGA 制程迭代在提高算力的同時(shí)降低了功耗，減小了芯片面積，推動了 FPGA 的性能提升。未來，在技術(shù)趨勢上，制程迭代+平臺產(chǎn)品將是未來產(chǎn)品發(fā)展方向。我們?nèi)匀豢春孟冗M(jìn)制程帶給 FPGA 的性能提升，同時(shí)新的產(chǎn)品形態(tài)（平臺型產(chǎn)品）的出現(xiàn)讓FPGA 性能有了進(jìn)一步提升的可能。