什么才是FPGA?優(yōu)勢主要體現(xiàn)在哪些方面呢?

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，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(shù)有限的缺點。

隨著人工智能、嵌入式產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多行業(yè)名詞變得越來越熟悉，我們今天所說的FPGA便是如此，但FPGA到底是什么呢?它的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在哪些方面呢?很多人就不那么清楚了。

什么是FPGA?

所謂FPGA，即"現(xiàn)場可編程門陣列"(Field Programmable Gate Array)的簡稱。它是一種開發(fā)者在短時間內(nèi)利用個人PC就可以在其上面實現(xiàn)自己想要的功能，而且可以多次重寫的廉價設(shè)備。

事實上, FPGA已經(jīng)得到了全球大多數(shù)用戶的支持。在2005年時，在isuppli提供的調(diào)查報告中顯示，ASIC和PLD (包含F(xiàn)PGA可編程產(chǎn)品) 的銷售量排名中，世界前五名里有兩個是FPGA供應(yīng)商。在業(yè)界中，美國XILINX排名世界第一位，IBM排名世界第二位，美國Altera排名世界第四位。

誕生背景

Xilinx首創(chuàng)了FPGA這一創(chuàng)新性的技術(shù)，并于1985年首次推出商業(yè)化產(chǎn)品“XC2000”。

當時的半導(dǎo)體器件以CMOS LSI為主流，相繼出現(xiàn)了大規(guī)模的邏輯系統(tǒng)。“門陣列”是當時將邏輯系統(tǒng)LSI化的最簡單方法。門陣列是指由半導(dǎo)體廠商準備出已經(jīng)在硅片上形成了被稱為基本單元的邏輯門的母板，通過按照用戶希望的電路進行布線，在母板上形成電路的半客戶定制品芯片。雖然是ASIC中設(shè)計和開發(fā)的成本和周期最短的，但仍需要幾個星期的開發(fā)時間。

另一方面，從PROM派生出來的現(xiàn)場可編程器件PLA得到廣泛應(yīng)用。PLA為一個邏輯器件，用戶進行現(xiàn)場(應(yīng)用領(lǐng)域)編程。PLA是以集成結(jié)構(gòu)為特征的邏輯LSI，它能夠通過與PROM程序相同的設(shè)備，寫入連接信息。然后，EPROM和EEPROM之類的新設(shè)備相繼出現(xiàn)，因為實用且容易使用而廣受歡迎。然而，還是難以自由實現(xiàn)任意的大規(guī)模邏輯，它們都只能起到輔助作用。

在FPGA誕生的初期，計算機研究員是最先感受到FPGA的巨大優(yōu)勢的。在此之前，要想實現(xiàn)一個新計算機體架構(gòu)的設(shè)計想法，必須要開發(fā)一個ASIC作為原型，在面板上安裝很多個體積龐大的IC。但是，與這些需要投入巨大成本和精力的方式不同，一旦用戶創(chuàng)建了具有多個FPGA的原型板，就可以立即運行您設(shè)計的新架構(gòu)。而且，修正和更改規(guī)格也變得輕松簡單。因此，許多新的架構(gòu)應(yīng)運而生因此，對可重構(gòu)處理器的研究和對新FPGA架構(gòu)的研究也開始蓬勃發(fā)展，在此之后，F(xiàn)PGA使用靈活，適用性強的特征在通信/圖像處理領(lǐng)域也大獲好評，并將其應(yīng)用于路由器等通信網(wǎng)絡(luò)的各種設(shè)備中。

關(guān)于FPGA的編程技術(shù)

2000年初，SRAM是當時主流的FPGA編程技術(shù)，除此之外還有各種其他類型的FPGA編程技術(shù)。

在20世紀80年代后期，出現(xiàn)了一種具有與SRAM型FPGA不同概念的技術(shù)，被稱為“熔絲技術(shù)”(反熔絲技術(shù))。在熔絲技術(shù)中，電路的連接點是熔絲，通過燒掉熔絲形成回路。反熔絲元件是一種只能編程一次的存儲元件，一旦編程，它就會以低阻抗導(dǎo)通。據(jù)說它比SRAM器件更緊湊，可以實現(xiàn)高集成度、低阻抗的高速運行。熔絲技術(shù)(反熔絲技術(shù))的弊端是不能重寫，不能反復(fù)使用。此外，難以降低的價格也是其缺點。

與此同時，又一個新的器件“CPLD”發(fā)布了。這是一個通過將多個小型 PLD 集成到一個 LSI 中形成的可以實現(xiàn)任意大規(guī)模邏輯電路的PLD。與小規(guī)模PLD一樣，非易失性和可重寫的易用性是CPLD的最大特點。但是，CPLD在設(shè)計自由度方面不如FPGA高。

在1990年代，出現(xiàn)了使用Flash memory的“FLASH型FPGA”。Flash型FPGA同時具備了SRAM技術(shù)和反熔絲技術(shù)的兩大有點，即可重寫和非易失性。但是，由于其構(gòu)造和制造工序復(fù)雜，難以提高集成度和降低價格。因此，F(xiàn)lash基本沒有被用在大規(guī)模、高速運行的FPGA中。

FPGA和PLD的架構(gòu)

基于SRAM的FPGA和CPLD是目前的主流工藝，高速和大規(guī)模的應(yīng)用使用基于SRAM的FPGA，對不需要高速和規(guī)模的應(yīng)用容易上手的CPLD是最合適的。無論哪種，都有制造簡單和價格便宜的優(yōu)點。

FPGA設(shè)計不是簡單的芯片研究，主要是利用 FPGA 的模式進行其他行業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計。 與 ASIC 不同，F(xiàn)PGA在通信行業(yè)的應(yīng)用比較廣泛。通過對全球FPGA產(chǎn)品市場以及相關(guān)供應(yīng)商的分析，結(jié)合當前我國的實際情況以及國內(nèi)領(lǐng)先的FPGA產(chǎn)品可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)在未來的發(fā)展方向，對我國科技水平的全面提高具有非常重要的推動作用。