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FPGA是什么(超级详细)

FPGA 是一种以数字电路为主的集成芯片,于 1985 年由 Xilinx 创始人之一 Ross Freeman 发明,属于可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)的一种。这个时间比著名的摩尔定律出现的时间晚 20 年左右,但是 FPGA 一经发明,后续的发展速度之快,超出大多数人的想象。

图 1 中给出了 FPGA 芯片的实物图:


图 1 FPGA芯片实物图

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(Programmable Logic Array,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 2 PLA内部结构

与 PLA 同时问世的还有可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory,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 3 PROM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(Programmable Array Logic,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。


图 4 PAL结构图

在 PAL 的基础上,又发展出了通用阵列逻辑器件(Generic Array Logic,GAL),相比于 PAL,GAL 有两点改进:
GAL 的结构图如图 5 所示:


图 5 GAL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(Complex Programmable Logic Device,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 6 CPLD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(Logic Cell Array,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。

表:FPGA与CPLD的性能比较
器件种类/特性 FPGA CPLD
内部结构 查找表(Look Up Table) 乘积项(Product Term)
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
使用场合 完成比较复杂的算法 完成控制逻辑
速度
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 8 FPGA结构图

FPGA 的技术优势

许多读者都知道 FPGA 功能强大,但它强大在哪儿?

以单片机举例说明,我们都知道,单片机功能强大,几乎无所不能,而 FPGA 与之相比只强不弱。因为只要单片机能实现的功能,FPGA 就一定能实现,当然这需要加一个大前提——在 FPGA 资源足够多的情况下。但是 FPGA 能实现的功能,单片机却不一定能够轻松实现,这是不争的事实,如果你不相信,那只能说明你还不了解 FPGA。

说到这里,读者不禁要问,既然 FPGA 这么厉害,为什么单片机的使用范围更广?那是因为在商业中,价格往往是影响产品的重要因素之一。

单片机的价格要远远低于 FPGA,而且根据性能和资源的不同,FPGA 的价格也存在很大差异,单枚 FPGA 芯片的价格从几十元到几十万元不等。与之相比,单片机的价格要便宜很多,同样的功能我们如果可以用价格低廉的单片机实现,就不会选择相对昂贵的 FPGA 了,除非单片机满足不了功能需求。所以公司自己进行开发时,为了节约成本,可能会选择更加便宜的单片机,而不会选择相对昂贵的 FPGA,因为单片机、ARM 这种微处理器的需求量很大,所以价格上更有优势。

但无论是单片机、ARM 还是 FPGA,它们都只是一种帮助我们实现功能的工具,具体如何选择,需要根据具体问题具体分析。总之,没有万能的工具,只有符合生产需求的工具。我们不应对某种工具存在偏见,要综合考虑。同样,当你了解得更多的时候,你会发现这些工具都需要掌握。

FPGA 的应用场景远没有单片机和 ARM 这么多,主要针对单片机和 ARM 无法解决的问题。比如要求灵活高效、高吞吐量、低批量延时、快速并行运算、可重构、可重复编程、可实现定制性能和定制功耗的情况,这些工作只能由FPGA承担。

而相对于出于专门目的而设计的集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC),FPGA 具有 3 点优势:

1) 灵活性

通过对 FPGA 编程,FPGA 可以执行 ASIC 能够执行的任何逻辑功能。FPGA 的独特优势在于其灵活性,即随时可以改变芯片功能,在技术还未成熟的阶段,这种特性能够降低产品的成本与风险,在 5G 技术普及初期,这种特性尤为重要。

2) 上市时间缩短

对 FPGA 编程后即可直接使用,FPGA 方案无须经历三个月至一年的芯片流片周期,为企业争取了产品上市时间。

3) 有一定成本优势

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 9 FPGA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 10 FPGA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。

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