FPGA結(jié)構(gòu)工作原理 FPGA與GPU的性能對比圖

電子元器件是對各種電子元件和電子器件（半導(dǎo)體）的總稱。在生產(chǎn)加工時沒有改變原材料分子成分的產(chǎn)品稱為元件，在電路中無需加電源即可在有信號時工作，包括電阻、電容、電感等。器件是指在生產(chǎn)加工時改變了原材料分子結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，包括分立器件、芯片等。

電子元器件是支撐電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石。電子元器件產(chǎn)業(yè)鏈主要由原材料供應(yīng)商、電子元器件設(shè)計制造商、電子元器件分銷商和電子產(chǎn)品制造商組成。

原料供應(yīng)商向電子元器件設(shè)計制造商提供半導(dǎo)體材料、玻璃基板、陶瓷基板、金屬材料等原材料，以及提供生產(chǎn)制造電子元器件相關(guān)的設(shè)備與軟件。

隨著汽車電子、5G、移動支付、信息安全、消費電子、工業(yè)電子等領(lǐng)域的快速發(fā)展，全球電子元器件產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，近兩年全球電子元器件市場增長明顯，且未來的發(fā)展空間廣闊。

隨著人工智能（AI）領(lǐng)域的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在通用芯片（CPU、GPU）上效率不高且功耗較大，逐漸不能滿足深度學(xué)習(xí)苛刻的算力要求。而專用芯片（ASIC）具備計算性能高、計算效率高，且功耗低，同時可實現(xiàn)體積小、可靠性高、保密性強(qiáng)等優(yōu)勢。

另外，專用芯片（ASIC）可根據(jù)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要進(jìn)行定制化設(shè)計、制造，通過定制化芯片來加速人工智能的計算任務(wù)。然而隨著深度學(xué)習(xí)的規(guī)模在指數(shù)級增長，人工智能的算法又要求定制的芯片可被重新編程來執(zhí)行新類型的計算任務(wù)。

可編程邏輯芯片（FPGA）正是一種硬件可重構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)，同時可兼顧算力強(qiáng)勁、功耗低等優(yōu)勢。用戶可以根據(jù)自己的實際需要，將自行設(shè)計的電路通過FPGA芯片公司提供的專用EDA軟件對FPGA芯片進(jìn)行功能配置，從而將空白的FPGA芯片轉(zhuǎn)化為具有特定功能的芯片，滿足特定的應(yīng)用需求。

隨著新一代通信設(shè)備、人工智能、自動駕駛等新興技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片的應(yīng)用需求不斷增長，F(xiàn)PGA市場規(guī)模不斷擴(kuò)大；根據(jù)沙利文統(tǒng)計數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA全球市場規(guī)模從2016年的43.4億美元增長至2020年的60.8億美元，年均復(fù)合增長率約8.8%；預(yù)計全球FPGA市場規(guī)模將從2021年的68.6億美元增長至2025年125.8億美元，年均復(fù)合增長率約為16.4%。

近年，汽車行業(yè)在智能化的驅(qū)使下，汽車所承載的芯片數(shù)量不斷提升。其中，自動駕駛功能的發(fā)展正推動處理器芯片、微控制器芯片市場的蓬勃發(fā)展，且逐漸凸顯這類芯片的重要性。處理器芯片和微控制器芯片作為計算機(jī)系統(tǒng)的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執(zhí)行單元。

在自動駕駛的過程中需要在不同天氣、光線條件下對周圍環(huán)境進(jìn)行實時感知，識別、跟蹤各種動態(tài)或靜態(tài)的物體并對其可能的行為進(jìn)行預(yù)判。在此背景下，自動駕駛系統(tǒng)需收集大量的信息和數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行快速運算處理，并作出相應(yīng)的動作。隨著自動駕駛等級的提高，所需的算力也同樣提升一個等級。因此，處理器芯片和微控制器芯片的未來市場空間廣闊。

FPGA結(jié)構(gòu)，工作原理

FPGA包括CLB(可配置邏輯模塊)、IOB(輸入輸出模塊)、內(nèi)部連線三大部分，具有和傳統(tǒng)的可編程器件所不同的結(jié)構(gòu)。FPGA通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)邏輯功能，存儲在存儲單元中的值決定邏輯單元的邏輯功能以及各邏輯單元模塊之間或模塊與I/O間的連接方式，并最終決定了FPGA所實現(xiàn)的功能。FPGA利用小型查找表來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，D觸發(fā)器用來驅(qū)動其他邏輯電路或I/O，由此構(gòu)成一個既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線相互連接或連接到I/O模塊。

FPGA特點，獨有優(yōu)勢

1、很多定制化芯片采用FPGA設(shè)計，用戶不需投片生產(chǎn)就能得到合用的芯片；
2、采用FPGA設(shè)計ASIC電路，周期短、費用低、風(fēng)險小、質(zhì)量穩(wěn)定；
3、FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低；
4、FPGA體系結(jié)構(gòu)、邏輯單元靈活、集成度高、適用范圍廣；
5、FPGA兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路；
6、可現(xiàn)場重復(fù)編程，后期維護(hù)成本低；
7、FPGA是并行計算，可以同時滿足多功能需求。

FPGA廠商

1、Xilinx(開發(fā)平臺是ISE，是FPGA的發(fā)明者，38年來專注于FPGA生態(tài)研發(fā)；
2、Altera(開發(fā)平臺是QuartusII，是可編程邏輯器件的發(fā)明者；
3、Actel(開發(fā)平臺是Libero)；
4、Lattice(開發(fā)平臺是ISPLEVER)；
5、Atmel；
6、國內(nèi)廠商有：紫光、高云、安路。

FPGA發(fā)展歷程

在PLD未發(fā)明之前，工程師使用包含若干個邏輯門的離散邏輯芯片進(jìn)行電路系統(tǒng)的搭建，復(fù)雜的邏輯功能實現(xiàn)起來較為困難。
為了解決這一問題，20世紀(jì)70年代，可編程邏輯陣列（ProgrammableLogicArray，PLA）問世，PLA中包含了一些固定數(shù)量的與門、非門，分別組成了“與平面”和“或平面”，即“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，以及僅可編程一次的連接矩陣（因為此處編程是基于熔絲工藝的），因此可以實現(xiàn)一些相對復(fù)雜的與、或多項表達(dá)式的邏輯功能，PLA內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2PLA內(nèi)部結(jié)構(gòu)
與PLA同時問世的還有可編程只讀存儲器（ProgrammableRead-OnlyMemory，PROM），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。與PLA相同，PROM內(nèi)部包含“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，但是與門的連接矩陣是硬件固定的，只有或門的連接矩陣可編程。

圖3PROM內(nèi)部結(jié)構(gòu)
若只有與門的連接矩陣可編程，而或門的連接矩陣是硬件固定的，那么這種芯片叫作可編程陣列邏輯器件（ProgrammableArrayLogic，PAL），根據(jù)輸出電路工作模式的不同，PAL可分為三態(tài)輸出、寄存器輸出、互補(bǔ)輸出，但PAL仍使用熔絲工藝，只可編程一次。PAL的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在PAL的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了通用陣列邏輯器件（GenericArrayLogic，GAL），相比于PAL，GAL有兩點改進(jìn)：

采用了電可擦除的CMOS工藝，可多次編譯，增強(qiáng)了器件的可重配置性和靈活性；

采用了可編程的輸出邏輯宏單元（OutputLogicMacroCell，OLMC），通過編程OLMC可將GAL的輸出設(shè)置成不同狀態(tài)，僅用一個型號的GAL就可以實現(xiàn)所有PAL器件輸出電路的工作模式，增強(qiáng)了器件的通用性。
GAL的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示：

圖5GAL結(jié)構(gòu)圖
早期的PLD主要由上述四種類型的芯片組成，即PROM、PLA、PAL和GAL。它們的共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但由于其結(jié)構(gòu)過于簡單，所以只能實現(xiàn)規(guī)模較小的數(shù)字電路。
隨著科技的發(fā)展、社會的進(jìn)步，人們對芯片的集成度要求越來越高。早期的PLD產(chǎn)品不能滿足人們的需求，復(fù)雜可編程邏輯器件（ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD）誕生?？梢园袰PLD看作PLA器件結(jié)構(gòu)的延續(xù)，一個CPLD器件也可以看作若干個PLA和一個可編程連接矩陣的集合。CPLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6CPLD結(jié)構(gòu)圖
FPGA比CPLD早幾年問世，與CPLD并稱為高密度可編程邏輯器件，但它們有著本質(zhì)的區(qū)別。FPGA芯片的內(nèi)部架構(gòu)并沒有沿用類似PLA的結(jié)構(gòu)，而是采用了邏輯單元陣列（LogicCellArray，LCA）這樣一個概念，改變了以往PLD器件大量使用與門、非門的思想，主要使用查找表和寄存器。
除此之外，F(xiàn)PGA和CPLD在資源類型、速度等方面也存在差異，如下表所示。

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FPGA的類型從內(nèi)部實現(xiàn)機(jī)理來講，可以分為基于SRAM技術(shù)、基于反熔絲技術(shù)、基于EEPROM/Flash技術(shù)。就電路結(jié)構(gòu)來講，F(xiàn)PGA可編程是指三個方面的可編程：可編程邏輯塊、可編程I/O、可編程布線資源?？删幊踢壿媺K是FPGA可編程的核心，我們上面提到的三種技術(shù)也是針對可編程邏輯塊的技術(shù)。
FPGA的結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8FPGA結(jié)構(gòu)圖

FPGA芯片在電子產(chǎn)業(yè)鏈具有不可替代的重要作用，其應(yīng)用技術(shù)難度高且非常重要

FPGA（FieldProgrammableGateArray），即現(xiàn)場可編程邏輯陣列，是芯片史上一項具有創(chuàng)新性、革命性的產(chǎn)品技術(shù)。

與傳統(tǒng)芯片ASIC相比，F(xiàn)PGA芯片具有可編輯、可重構(gòu)的芯片結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置了數(shù)量豐富的輸入輸出單元引腳及觸發(fā)器，可實現(xiàn)芯片功能重新配置。

客戶使用FPGA進(jìn)行編程后可直接向市場推出原型及小批量產(chǎn)品而無需等待流片周期，同時可以快速通過原型產(chǎn)品獲得市場反饋，減少試錯成本。

FPGA是專用電路中開發(fā)周期最短、應(yīng)用風(fēng)險最低的器件之一，客戶無需付出大額研發(fā)投入即可以獲得適用的核心電路系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在通信、工業(yè)控制、汽車電子、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，幫助客戶產(chǎn)品快速推向市場、搶占先機(jī)。

同時，由于FPGA芯片具備設(shè)計靈活性強(qiáng)、可編輯性強(qiáng)、IO（輸入/輸出端口）可靈活配置、兼容性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等產(chǎn)品特性，是大多數(shù)字芯片設(shè)計中前端仿真的硬件基礎(chǔ)，屬于半導(dǎo)體設(shè)計驗證的核心環(huán)節(jié)，故在電子產(chǎn)業(yè)鏈中扮演著無可替代的角色。

基于以上特點，F(xiàn)PGA芯片可以達(dá)到“定制芯片”的效果。設(shè)計/制造一款A(yù)SIC芯片，可能需要花費上千萬美元，設(shè)計-流片-封裝-測試的流程可能需要1-2年時間，并且可能因為下游市場的需求波動導(dǎo)致ASIC推出后不符合當(dāng)時市場實際需求，試錯成本較高。

FPGA與ASIC的主要區(qū)別在于ASIC方案有固定成本而FPGA方案幾乎沒有，在使用量小的時候，采用FPGA方案無須一次性支付幾百萬美元的流片成本，同時也不用承擔(dān)流片失敗的風(fēng)險，此時FPGA方案的成本低于ASIC的，隨著使用量增加，F(xiàn)PGA方案在成本上的優(yōu)勢逐漸減少，超過某一使用量后，由于大量流片產(chǎn)生了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，因此ASIC方案在成本上更有優(yōu)勢，如下圖所示：

圖9FPGA方案和ASIC方案的成本比較
因此，F(xiàn)PGA通常在數(shù)字信號處理、視頻處理、圖像處理、5G通信領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、工業(yè)控制、云服務(wù)、加速計算、人工智能、數(shù)據(jù)中心、自動駕駛、芯片驗證等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。只有掌握了通用的FPGA設(shè)計方法，才能在FPGA獨領(lǐng)風(fēng)騷的領(lǐng)域中大展宏圖。

FPGA的應(yīng)用方向

FPGA介于軟件和硬件之間，用它做接口、做通信，它就偏向硬件；用它做算法、做控制，它就偏向軟件。隨著人工智能、機(jī)器視覺的崛起，F(xiàn)PGA更加偏向軟件算法的異構(gòu)，有和GPU一爭高下的潛力。
FPGA與GPU性能對比圖如圖10所示：

圖10FPGA與GPU的性能對比圖
FPGA軟件方向：以軟件開發(fā)為主，開發(fā)FPGA在數(shù)據(jù)分析、人工智能、機(jī)器視覺等領(lǐng)域的加速應(yīng)用能力，主要采用OpenCL和HLS技術(shù)實現(xiàn)軟硬件協(xié)同開發(fā)。
FPGA硬件方向：以邏輯設(shè)計為主，針對FPGA特定領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計、集成電路設(shè)計以及芯片驗證能力。
FPGA最初的應(yīng)用領(lǐng)域是通信領(lǐng)域，但是隨著信息產(chǎn)業(yè)和微電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA技術(shù)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)最熱門的技術(shù)之一，應(yīng)用范圍擴(kuò)大，遍及航空航天、汽車、醫(yī)療、廣播、測試測量、消費電子、工業(yè)控制等熱門領(lǐng)域，而且隨著工藝的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，從各個角度開始滲透到生活當(dāng)中。

而采用FPGA方案，能在流片之前大大降低試錯成本。如音頻信號處理客戶，在智能音箱麥克風(fēng)陣列處理市場，使用FPGA快速進(jìn)行原型產(chǎn)品開發(fā)，s可以與幾大主要音箱廠商聯(lián)合完成設(shè)計和調(diào)試并根據(jù)客戶反饋調(diào)整了麥克風(fēng)數(shù)量、排列及相關(guān)參數(shù)算法優(yōu)化，隨后以FPGA版本為基礎(chǔ)，進(jìn)行ASIC流片，獲得了優(yōu)勢性的市場占有率。這是FPGA賦能創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計公司的典型案例。

FPGA芯片具備半定制化、可編程化等“萬能芯片”的特點，也因此注定FPGA芯片設(shè)計要求比較嚴(yán)格、門檻較高。隨著設(shè)計規(guī)模和FPGA容量越來越大，相關(guān)應(yīng)用設(shè)計越來越困難。

第一，應(yīng)用設(shè)計本身的復(fù)雜性使得設(shè)計周期變長，驗證的復(fù)雜性也會大大增加，項目質(zhì)量難以控制；第二，F(xiàn)PGA的布局布線更加困難，特別是對于復(fù)雜的大型設(shè)計，需要在設(shè)計初期由經(jīng)驗豐富的技術(shù)團(tuán)隊對芯片的布局和引腳的布局進(jìn)行合理規(guī)劃；第三，隨著FPGA芯片封裝的增大以及速率越來越高，對PCB的布線也提出了更高的要求。

當(dāng)下，F(xiàn)PGA芯片在終端領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)多樣化趨勢，相關(guān)應(yīng)用設(shè)計越來越重要。FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的芯片原型設(shè)計、通信設(shè)備制造領(lǐng)域等逐漸向視頻監(jiān)控、汽車自動駕駛、通信5G基站、大帶寬光纖交換機(jī)、工業(yè)行業(yè)機(jī)器視覺、無人物流等領(lǐng)域拓展，F(xiàn)PGA的應(yīng)用需求呈現(xiàn)出越來越多樣化的趨勢。FPGA芯片在各行業(yè)前沿技術(shù)的開發(fā)創(chuàng)造過程中，扮演著無比重要的角色。

FPGA內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且可編程邏輯器件的基本原理與傳統(tǒng)芯片有著本質(zhì)的區(qū)別，若缺少行業(yè)資深專家的指導(dǎo)，較多終端客戶需花費較長的前端研究時間。

FPGA芯片由于其邏輯可編輯和I/O端口可配置等兩方面靈活性，決定其適用于快速迭代、技術(shù)前沿的開發(fā)研究領(lǐng)域。

以FPGA芯片在汽車電子前沿領(lǐng)域的應(yīng)用為例。近年來，汽車電子技術(shù)突飛猛進(jìn)，從L1級別前向碰撞預(yù)警及車道線偏離預(yù)警，到L2級別自動緊急制動及車道保持輔助系統(tǒng)，到L3級別自適應(yīng)巡航及代客泊車到L4級別的高級別自動駕駛等，汽車復(fù)雜功能的實現(xiàn)對處理芯片的算力大小和I/O端口數(shù)量提出很高的挑戰(zhàn)及要求。

相對于其他電子系統(tǒng)領(lǐng)域，汽車電子的工作環(huán)境更為復(fù)雜，對汽車控制系統(tǒng)的功能性、安全性、保密性提出更高的要求。傳統(tǒng)ASIC芯片功能基本固定，僅可以通過更換主芯片、重新進(jìn)行電路設(shè)計等方式來配合汽車功能升級；而FPGA芯片則由于邏輯可重復(fù)編輯、I/O端口可編輯、大容量、大算力等優(yōu)勢，可在兼顧成本和功耗前提下較好地適應(yīng)快速升級的汽車電子前沿項目。

編輯：黃飛

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