FPGA
關注創建者：匿名 創建時間：2016-03-14
FPGA的實例教程
FPGA (Field Programmable Gate Array)即現場可編程門陣列。它是在PLA、PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路，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數有限的缺點。
1、 FPGA簡介
FPGA普遍用于實現數字電路模塊，用戶可對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現用戶的需求。它還具有靜態可重復編程和動態在系統重構的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改?？梢院敛豢鋸埖闹v，FPGA能完成任何數字器件的功能，下至簡單的74電路，上至高性能CPU，都可以用FPGA來實現。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設計一個數字系統。
2、FPGA發展史
FPGA的發展歷史如下圖所示。相對于PROM、PAL/GAL、CPLD而言，FPGA規模更大性能更高。
圖1 FPGA發展史
FPGA芯片主流生產廠家包括Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi，其中前兩家的市場份額合計達到88%。目前FPGA主流廠商全部為美國廠商。國產FPGA由于研發起步較美國晚至少20年，目前還處于成長期，僅限于低端，在通信市場還沒有成熟應用。
2015年12月，Intel公司斥資167億美元收購了Altera公司。Altera被收購后不久即制定了英特爾處理器與FPGA集成的產品路線圖。這兩種產品集成的好處是可以提供創新的異構多核架構，適應例如人工智能等新市場的需求，同時能大幅縮減功耗。
展開 根據應用需求，可選擇低端、中端或高端FPGA配置。
FPGA架構概述
一般的FPGA架構設計包括三類模塊。它們是I/O塊、開關矩陣和可配置邏輯塊(CLB)。FPGA是一種半導體器件，由通過可編程連接耦合的邏輯塊組成。
邏輯塊由帶有一組輸入的查找表(LUT)組成，使用基本內存(如SRAM或Flash)來保存布爾函數。為了支持時序電路，每個LUT都連接到一個多路復用器和一個觸發器寄存器。類似地，可以構建許多LUT來處理復雜的函數。根據FPGA的配置，FPGA分為三種類型:低端、中端和高端。Xilinx的Artix-7/Kintex-7系列，Lattice半導體公司的ECP3和ECP5系列是一些流行的低功耗和低設計密度的FPGA設計。而Xilinx的Virtex家族，Microsemi的ProASIC3家族，Intel的Stratix家族都是為高性能和高設計密度而設計的。
FPGA固件開發
由于FPGA是一個可編程邏輯陣列，因此必須對邏輯進行配置以滿足系統的需要。固件是數據的集合，提供配置。由于FPGA的復雜性，利用該軟件設計了專用FPGA。用戶通過提供硬件描述語言(HDL)定義或原理圖設計來啟動FPGA設計過程。VHDL (VHSIC硬件描述語言)和Verilog是兩種常用的HDL。之后，FPGA設計過程的下一步是為所使用的FPGA系列開發一個網絡列表。這是使用電子設計自動化程序開發的，并概述了必要的FPGA內的連接性。
展開 如果從軟件和生態方面看，國內FPGA企業與國際領先廠商之間更是有八到十年的差距。如果想追上，尤其是在中高密度產品上追上國際領先者，國內FPGA廠商還需要很長的一段路要走，王海力補充說。
高云半導體工程副總裁王添平先生也表示，目前活躍在市場的國產FPGA產品中，多以中低密度產品為主。這些產品從定義、芯片設計、生產工藝、芯片封裝、應用軟件、乃至實際銷售，都有不錯的表現，高云的低密度產品在某些細分領域正在全面取代國外廠商。但在他看來，對于國內大部分的中高低密度的FPGA，其架構都逃不開LUT+布線的概念，具體到產品，各自側重的技術、IP乃至相應的應用市場也都是各有針對性。如果從這個角度看來，國產廠商在中高密度FPGA的技術水平與國際領先廠商相比，在硬件設計和軟件方面還有一定的差距。
雖然差距很明顯，但對于國內廠商來說，負重前行是一種必然的使命。王添平也認同這個觀點。他指出，盡管FPGA全球市場銷售額近年來的年增長率一直徘徊在個位數，但其進入各類新興市場如大數據、人工智能、云計算、硬件加速、汽車自動駕駛以及消費等領域的速度卻非常吸引眼球，乃至人們對FPGA特別是國產FPGA的未來發展充滿期待，資本進入該領域也日趨活躍。
“在民用及其他市場上，我們都看到了多家國產FPGA的身影，眾多國產FPGA廠家涌進跑道，對整個FPGA產業競爭、人才培養和產品快速升級以及FPGA產業上下游資源整合，都是絕好的機會?！蓖跆砥礁嬖V半導體行業觀察的記者。
回看過去幾十年的發展，FPGA和其他芯片領域一樣，經歷了初創者大量涌入，百發齊放，然后整合的階段。數據顯示，1990年的時候，全球的FPGA玩家有20多家，但現在已經屈指可數。更重要的是，經過這段發展，FPGA的市場也同樣集中到兩個大玩家手里。
展開 至此，FPGA AI這樣一來設計迭代速度（尤其是配合了Chisel，HLS等敏捷開發流程之后）可以遠遠快于傳統ASIC流程，同時硬件的能效比則遠高于傳統的CPU／GPU。這一招在異構計算得到越來越多重視的今天可謂是迎合了潮流。這也是為什么我們看到微軟，亞馬遜都紛紛在云端數據中心部署FPGA，而Intel則也在往高端CPU里加入Altera FPGA。未來，這種新的模式可望成為FPGA市場的一個新成長點，值得我們關注。
最后做個小總結，
（1）對于AI硬件的實現而言，FPGA和ASIC的 優化路徑有很大區別，從FPGA到ASIC的直接移植并不是一種高效的做法。
（2）強調一下這里并不是說基于FPGA的AI實現就沒有未來，（相反我覺得還潛力無限），本文只是對于從FPGA到ASIC的直接移植提出了一點小想法。我們預計FPGA將會配合敏捷設計擁有自己的新生態。
（3）FPGA對SoC設計流程的影響正在從原型驗證往硬件模擬的角度發展，你的產品有沒有掉隊呢？
展開 但在國產FPGA方面，雖然有了不少的的參與者，但國內廠商在這方面還有很長的一條路要走。
在日前的南京國際集成電路技術達摩論壇上，國產FPGA廠商紫光同創電子有限公司常務副總裁發表了題為《FPGA中國芯的機遇與挑戰》的演講，講述了國產FPGA的挑戰與機遇。從他的介紹中我們得知，Xilinx、Intel的FPGA在全球遙遙領先，而國產廠商基本都是集中在中小規模的產品布局，也開始有些廠商往高端產品進攻。以紫光同創為例，他們正在研發700K大規模的產品，向更端的市場出發。
國產FPGA面臨的挑戰
王佩寧首先總結了國產FPGA的現狀，根據他的說法，現在的國產FPGA擁有市占率極低、技術壁壘高和市場認可度低三個特點。他指出，在國內過百億的FPGA市場中，國產的市占率不到3%，商用市場的國產化率更是低得驚人。就算在對國產有高度支持的政府部門中，國產FPGA的應用率不足30%，切都是以兼容產品替代為主。
來到專利方面，王佩寧指出，Xilinx和Intel兩家FPGA廠商的FPGA專利超過6000項，當中覆蓋了單元架構、IP和互聯等各方面的核心技術。本身國內的研發技術就相對落后，缺乏創新，在這種專利包圍圈下，國產FPGA智能采用被動創新，反復驗證的方式，這就使得研發成本降不下來。
得不到市場的廣泛認可，則是國產FPGA的另一無奈。
王佩寧在演講中提到，國外FPGA產品在國內耕耘了20多年，根深蒂固。
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集成電路制造技術：晶圓制造/代工、模擬集成電路、數/?；旌霞呻娐?；相關微處理器、存儲器、FPGA、分立器件、光電器件、功率器件、傳感器件等技術器件；集成電路終端產品。
汽車芯片/半導體：主控芯片(SoC)、MCU、GPU、FPGA、AI芯片、功率半導體(IGBT/SiC)、傳感器芯片、存儲芯片。
2. 軟件定義汽車與操作系統 (Software-Defined Vehicle & OS)
車載操作系統： QNX、Linux、Android、RTOS、車規級微內核操作系統。
全新的 HAPS 與 ZeBu 平臺：
全新的 HAPS?200 12 FPGA 和 ZeBu?200 12 FPGA 系統可應對數據中心子系統、移動、客戶端、服務器、消費電子以及邊緣 AI 應用的復雜性與高性能需求。
新思科技還針對主流設計發布了 HAPS?200 12 FPGA 和 ZeBu?200 12 FPGA 平臺，提供 EP?Ready 硬件、2 倍容量，并在軟硬件驗證、功耗/性能分析和 RTL 驗證領域持續保持領先地位。全新、業內首創的測試自動化功能可在極少人工投入的情況下，更快、更早地檢測到緩存一致性和子系統級缺陷。
升級控制算法與電子單元
引入先進的數字控制器（如基于FPGA或高速DSP的控制單元），實施前饋補償、非線性校正及自適應PID算法，能有效克服閥體非線性特性，提升動態跟隨性能，諾冠提供的智能電子驅動器支持實時參數整定，無需復雜編程即可實現最優控制。
3.
它還可以產生多個波束，并使用FPGA芯片或陣列計算機，以數字方式形成天線輻射模式。此外，數字波束成形陣列還可以在輻射方向上形成零點（null），用于故意最大限度地降低接收靈敏度，減少已知方向上的相互干擾。
混合波束成形相控陣列：AESA和DBF方法可以結合使用，以形成混合波束成形相控陣列。這種方法包括子陣列。每個子陣列都使用一個模擬收發器，而且子陣列中的每個單元都有自己的數字收發器。
展示范圍：
主動元器件：MCU、模擬/數字IC、電源IC、存儲器、FPGA、嵌入式系統等
被動元器件：電容、電阻、電感、繼電器、開關/連接器、線束等
車規元器件：計算控制芯片、功率半導體、傳感器、通信芯片等
感謝您對本屆展會的參會和支持，謹祝參展成功！
處理器：CPU，MCU，DSP，FPGA，CPLD。
儲存器：DRAM，SRAM，PROM，EPROM，EEPROM，FLASH?MEMORY。
其他類:?接口IC,時鐘IC，ADC轉換器?，DAC轉器件，專用IC定制IC，微博IC，混合集成電路等。
晶振：普通晶振，溫補晶振，恒溫晶振，壓控晶振等。
2026深圳國際電子元器件展覽會4個月前
處理器：CPU，MCU，DSP，FPGA，CPLD。
儲存器：DRAM，SRAM，PROM，EPROM，EEPROM，FLASH?MEMORY。
其他類:?接口IC,時鐘IC，ADC轉換器?，DAC轉器件，專用IC定制IC，微博IC，混合集成電路等。?????
晶振：普通晶振，溫補晶振，恒溫晶振，壓控晶振等。
2026深圳國際半導體產業展覽會4個月前
處理器：CPU，MCU，DSP，FPGA，CPLD。
儲存器：DRAM，SRAM，PROM，EPROM，EEPROM，FLASH?MEMORY。
其他類:?接口IC,時鐘IC，ADC轉換器?，DAC轉器件，專用IC定制IC，微博IC，混合集成電路等。?????
晶振：普通晶振，溫補晶振，恒溫晶振，壓控晶振等。
