FPGA结构工作原理 FPGA与GPU的性能对比图

电子元器件是对各种电子元件和电子器件（半导体）的总称。在生产加工时没有改变原材料分子成分的产品称为元件，在电路中无需加电源即可在有信号时工作，包括电阻、电容、电感等。器件是指在生产加工时改变了原材料分子结构的产品，包括分立器件、芯片等。

电子元器件是支撑电子信息技术产业发展的基石。电子元器件产业链主要由原材料供应商、电子元器件设计制造商、电子元器件分销商和电子产品制造商组成。

原料供应商向电子元器件设计制造商提供半导体材料、玻璃基板、陶瓷基板、金属材料等原材料，以及提供生产制造电子元器件相关的设备与软件。

随着汽车电子、5G、移动支付、信息安全、消费电子、工业电子等领域的快速发展，全球电子元器件产业进入快速发展期，近两年全球电子元器件市场增长明显，且未来的发展空间广阔。

随着人工智能（AI）领域的快速发展，传统的神经网络算法在通用芯片（CPU、GPU）上效率不高且功耗较大，逐渐不能满足深度学习苛刻的算力要求。而专用芯片（ASIC）具备计算性能高、计算效率高，且功耗低，同时可实现体积小、可靠性高、保密性强等优势。

另外，专用芯片（ASIC）可根据特定用户要求和特定电子系统的需要进行定制化设计、制造，通过定制化芯片来加速人工智能的计算任务。然而随着深度学习的规模在指数级增长，人工智能的算法又要求定制的芯片可被重新编程来执行新类型的计算任务。

可编程逻辑芯片（FPGA）正是一种硬件可重构的体系结构，同时可兼顾算力强劲、功耗低等优势。用户可以根据自己的实际需要，将自行设计的电路通过FPGA芯片公司提供的专用EDA软件对FPGA芯片进行功能配置，从而将空白的FPGA芯片转化为具有特定功能的芯片，满足特定的应用需求。

随着新一代通信设备、人工智能、自动驾驶等新兴技术的快速发展，FPGA芯片的应用需求不断增长，FPGA市场规模不断扩大；根据沙利文统计数据，FPGA全球市场规模从2016年的43.4亿美元增长至2020年的60.8亿美元，年均复合增长率约8.8%；预计全球FPGA市场规模将从2021年的68.6亿美元增长至2025年125.8亿美元，年均复合增长率约为16.4%。

近年，汽车行业在智能化的驱使下，汽车所承载的芯片数量不断提升。其中，自动驾驶功能的发展正推动处理器芯片、微控制器芯片市场的蓬勃发展，且逐渐凸显这类芯片的重要性。处理器芯片和微控制器芯片作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。

在自动驾驶的过程中需要在不同天气、光线条件下对周围环境进行实时感知，识别、跟踪各种动态或静态的物体并对其可能的行为进行预判。在此背景下，自动驾驶系统需收集大量的信息和数据，然后进行快速运算处理，并作出相应的动作。随着自动驾驶等级的提高，所需的算力也同样提升一个等级。因此，处理器芯片和微控制器芯片的未来市场空间广阔。

FPGA结构，工作原理

FPGA包括CLB(可配置逻辑模块)、IOB(输入输出模块)、内部连线三大部分，具有和传统的可编程器件所不同的结构。FPGA通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现逻辑功能，存储在存储单元中的值决定逻辑单元的逻辑功能以及各逻辑单元模块之间或模块与I/O间的连接方式，并最终决定了FPGA所实现的功能。FPGA利用小型查找表来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，D触发器用来驱动其他逻辑电路或I/O，由此构成一个既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线相互连接或连接到I/O模块。

FPGA特点，独有优势

1、很多定制化芯片采用FPGA设计，用户不需投片生产就能得到合用的芯片；
2、采用FPGA设计ASIC电路，周期短、费用低、风险小、质量稳定；
3、FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低；
4、FPGA体系结构、逻辑单元灵活、集成度高、适用范围广；
5、FPGA兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路；
6、可现场重复编程，后期维护成本低；
7、FPGA是并行计算，可以同时满足多功能需求。

FPGA厂商

1、Xilinx(开发平台是ISE，是FPGA的发明者，38年来专注于FPGA生态研发；
2、Altera(开发平台是QuartusII，是可编程逻辑器件的发明者；
3、Actel(开发平台是Libero)；
4、Lattice(开发平台是ISPLEVER)；
5、Atmel；
6、国内厂商有：紫光、高云、安路。

FPGA发展历程

在PLD未发明之前，工程师使用包含若干个逻辑门的离散逻辑芯片进行电路系统的搭建，复杂的逻辑功能实现起来较为困难。
为了解决这一问题，20世纪70年代，可编程逻辑阵列（ProgrammableLogicArray，PLA）问世，PLA中包含了一些固定数量的与门、非门，分别组成了“与平面”和“或平面”，即“与连接矩阵”和“或连接矩阵”，以及仅可编程一次的连接矩阵（因为此处编程是基于熔丝工艺的），因此可以实现一些相对复杂的与、或多项表达式的逻辑功能，PLA内部结构如图2所示：

图2PLA内部结构
与PLA同时问世的还有可编程只读存储器（ProgrammableRead-OnlyMemory，PROM），其内部结构如图3所示。与PLA相同，PROM内部包含“与连接矩阵”和“或连接矩阵”，但是与门的连接矩阵是硬件固定的，只有或门的连接矩阵可编程。

图3PROM内部结构
若只有与门的连接矩阵可编程，而或门的连接矩阵是硬件固定的，那么这种芯片叫作可编程阵列逻辑器件（ProgrammableArrayLogic，PAL），根据输出电路工作模式的不同，PAL可分为三态输出、寄存器输出、互补输出，但PAL仍使用熔丝工艺，只可编程一次。PAL的结构图如图4所示。

在PAL的基础上，又发展出了通用阵列逻辑器件（GenericArrayLogic，GAL），相比于PAL，GAL有两点改进：

采用了电可擦除的CMOS工艺，可多次编译，增强了器件的可重配置性和灵活性；

采用了可编程的输出逻辑宏单元（OutputLogicMacroCell，OLMC），通过编程OLMC可将GAL的输出设置成不同状态，仅用一个型号的GAL就可以实现所有PAL器件输出电路的工作模式，增强了器件的通用性。
GAL的结构图如图5所示：

图5GAL结构图
早期的PLD主要由上述四种类型的芯片组成，即PROM、PLA、PAL和GAL。它们的共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但由于其结构过于简单，所以只能实现规模较小的数字电路。
随着科技的发展、社会的进步，人们对芯片的集成度要求越来越高。早期的PLD产品不能满足人们的需求，复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD）诞生。可以把CPLD看作PLA器件结构的延续，一个CPLD器件也可以看作若干个PLA和一个可编程连接矩阵的集合。CPLD的内部结构图如图6所示。

图6CPLD结构图
FPGA比CPLD早几年问世，与CPLD并称为高密度可编程逻辑器件，但它们有着本质的区别。FPGA芯片的内部架构并没有沿用类似PLA的结构，而是采用了逻辑单元阵列（LogicCellArray，LCA）这样一个概念，改变了以往PLD器件大量使用与门、非门的思想，主要使用查找表和寄存器。
除此之外，FPGA和CPLD在资源类型、速度等方面也存在差异，如下表所示。

 

器件种类/特性	FPGA	CPLD
内部结构	查找表（LookUpTable）	乘积项（ProductTerm）
程序存储	内部为SRAM结构，外挂EEPROM或Flash存储程序	内部为EEPROM或Flash
资源类型	触发器资源丰富	组合逻辑资源丰富
集成度	高	低
使用场合	完成比较复杂的算法	完成控制逻辑
速度	快	慢
其他资源	RAM、PLL、DSP等	——
保密性	一般不能保密（可以使用加密核）	可加密

 

FPGA的类型从内部实现机理来讲，可以分为基于SRAM技术、基于反熔丝技术、基于EEPROM/Flash技术。就电路结构来讲，FPGA可编程是指三个方面的可编程：可编程逻辑块、可编程I/O、可编程布线资源。可编程逻辑块是FPGA可编程的核心，我们上面提到的三种技术也是针对可编程逻辑块的技术。
FPGA的结构图如图8所示。

图8FPGA结构图

FPGA芯片在电子产业链具有不可替代的重要作用，其应用技术难度高且非常重要

FPGA（FieldProgrammableGateArray），即现场可编程逻辑阵列，是芯片史上一项具有创新性、革命性的产品技术。

与传统芯片ASIC相比，FPGA芯片具有可编辑、可重构的芯片结构，内部设置了数量丰富的输入输出单元引脚及触发器，可实现芯片功能重新配置。

客户使用FPGA进行编程后可直接向市场推出原型及小批量产品而无需等待流片周期，同时可以快速通过原型产品获得市场反馈，减少试错成本。

FPGA是专用电路中开发周期最短、应用风险最低的器件之一，客户无需付出大额研发投入即可以获得适用的核心电路系统，广泛应用在通信、工业控制、汽车电子、数据中心等领域，帮助客户产品快速推向市场、抢占先机。

同时，由于FPGA芯片具备设计灵活性强、可编辑性强、IO（输入/输出端口）可灵活配置、兼容性强、适应性强等产品特性，是大多数字芯片设计中前端仿真的硬件基础，属于半导体设计验证的核心环节，故在电子产业链中扮演着无可替代的角色。

基于以上特点，FPGA芯片可以达到“定制芯片”的效果。设计/制造一款ASIC芯片，可能需要花费上千万美元，设计-流片-封装-测试的流程可能需要1-2年时间，并且可能因为下游市场的需求波动导致ASIC推出后不符合当时市场实际需求，试错成本较高。

FPGA与ASIC的主要区别在于ASIC方案有固定成本而FPGA方案几乎没有，在使用量小的时候，采用FPGA方案无须一次性支付几百万美元的流片成本，同时也不用承担流片失败的风险，此时FPGA方案的成本低于ASIC的，随着使用量增加，FPGA方案在成本上的优势逐渐减少，超过某一使用量后，由于大量流片产生了规模经济，因此ASIC方案在成本上更有优势，如下图所示：

图9FPGA方案和ASIC方案的成本比较
因此，FPGA通常在数字信号处理、视频处理、图像处理、5G通信领域、医疗领域、工业控制、云服务、加速计算、人工智能、数据中心、自动驾驶、芯片验证等领域发挥着不可替代的作用。只有掌握了通用的FPGA设计方法，才能在FPGA独领风骚的领域中大展宏图。

FPGA的应用方向

FPGA介于软件和硬件之间，用它做接口、做通信，它就偏向硬件；用它做算法、做控制，它就偏向软件。随着人工智能、机器视觉的崛起，FPGA更加偏向软件算法的异构，有和GPU一争高下的潜力。
FPGA与GPU性能对比图如图10所示：

图10FPGA与GPU的性能对比图
FPGA软件方向：以软件开发为主，开发FPGA在数据分析、人工智能、机器视觉等领域的加速应用能力，主要采用OpenCL和HLS技术实现软硬件协同开发。
FPGA硬件方向：以逻辑设计为主，针对FPGA特定领域的应用设计、集成电路设计以及芯片验证能力。
FPGA最初的应用领域是通信领域，但是随着信息产业和微电子技术的发展，FPGA技术已经成为信息产业最热门的技术之一，应用范围扩大，遍及航空航天、汽车、医疗、广播、测试测量、消费电子、工业控制等热门领域，而且随着工艺的发展和技术的进步，从各个角度开始渗透到生活当中。

而采用FPGA方案，能在流片之前大大降低试错成本。如音频信号处理客户，在智能音箱麦克风阵列处理市场，使用FPGA快速进行原型产品开发，s可以与几大主要音箱厂商联合完成设计和调试并根据客户反馈调整了麦克风数量、排列及相关参数算法优化，随后以FPGA版本为基础，进行ASIC流片，获得了优势性的市场占有率。这是FPGA赋能创新产品设计公司的典型案例。

FPGA芯片具备半定制化、可编程化等“万能芯片”的特点，也因此注定FPGA芯片设计要求比较严格、门槛较高。随着设计规模和FPGA容量越来越大，相关应用设计越来越困难。

第一，应用设计本身的复杂性使得设计周期变长，验证的复杂性也会大大增加，项目质量难以控制；第二，FPGA的布局布线更加困难，特别是对于复杂的大型设计，需要在设计初期由经验丰富的技术团队对芯片的布局和引脚的布局进行合理规划；第三，随着FPGA芯片封装的增大以及速率越来越高，对PCB的布线也提出了更高的要求。

当下，FPGA芯片在终端领域的应用呈现多样化趋势，相关应用设计越来越重要。FPGA的应用领域从最初的芯片原型设计、通信设备制造领域等逐渐向视频监控、汽车自动驾驶、通信5G基站、大带宽光纤交换机、工业行业机器视觉、无人物流等领域拓展，FPGA的应用需求呈现出越来越多样化的趋势。FPGA芯片在各行业前沿技术的开发创造过程中，扮演着无比重要的角色。

FPGA内部模块结构复杂，且可编程逻辑器件的基本原理与传统芯片有着本质的区别，若缺少行业资深专家的指导，较多终端客户需花费较长的前端研究时间。

FPGA芯片由于其逻辑可编辑和I/O端口可配置等两方面灵活性，决定其适用于快速迭代、技术前沿的开发研究领域。

以FPGA芯片在汽车电子前沿领域的应用为例。近年来，汽车电子技术突飞猛进，从L1级别前向碰撞预警及车道线偏离预警，到L2级别自动紧急制动及车道保持辅助系统，到L3级别自适应巡航及代客泊车到L4级别的高级别自动驾驶等，汽车复杂功能的实现对处理芯片的算力大小和I/O端口数量提出很高的挑战及要求。

相对于其他电子系统领域，汽车电子的工作环境更为复杂，对汽车控制系统的功能性、安全性、保密性提出更高的要求。传统ASIC芯片功能基本固定，仅可以通过更换主芯片、重新进行电路设计等方式来配合汽车功能升级；而FPGA芯片则由于逻辑可重复编辑、I/O端口可编辑、大容量、大算力等优势，可在兼顾成本和功耗前提下较好地适应快速升级的汽车电子前沿项目。

编辑：黄飞