一文了解FPGA技术知识

FPGA 是可以先购买再设计的“万能”芯片。FPGA （Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列，是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的集成电路，它能够按照设计人员的需求配置为指定的电路结构，让客户不必依赖由芯片制造商设计和制造的 ASIC 芯片。广泛应用在原型验证、通信、汽车电子、工业控制、航空航天、数据中心等领域。Altera LUT4 架构FPGA 硬件三大指标：制程、门级数及 SERDES 速率，配套 EDA 软件工具同样重要。比较 FPGA 产品可以从技术指标入手。从 FPGA 内部结构来看，主要包括：可编程输入/输出单元（I/O）、可编程逻辑块（LC）、 完整的时钟管理（CMT）、嵌入块式 RAM（BRAM）、布线资源、内嵌的底层功能单元和专用硬件模块等。根据赛灵思披露的数据，一个 LUT6 等效 1.6 个 LC，一个 LC 对应几十到上百“门”，1000 万门约等于 10 万 LC，即 100K CLB 级别 FPGA。与 ASIC 不同的是，客户在选购 FPGA 产品不仅考虑硬件参数，配套 EDA 软件的性能也同样重要。目前国内厂商高端产品在硬件性能指标上均与赛灵思高端产品有较大差距。相对于ASIC，FPGA具有3点优势：

• 1、可编辑，更灵活
• 2、产品上市时间短，节省了 ASIC 流片周期
• 3、避免一次性工程费用，用量较小时具有成本优势。

1）灵活性：通过对 FPGA 编程，FPGA 能够执行 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 初期这种特性尤为重要。2）上市时间：由于 FPGA 买来编程后既可直接使用，FPGA 方案无需等待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）成本：FPGA 与 ASIC 主要区别在 ASIC 方案有固定成本而 FPGA 方案几乎没有，在使用量小的时候，FPGA 方案由于无需支付一次性百万美元的流片成本，同时也不用承担流片失败风险，FPGA 方案的成本低于 ASIC，随着使用量的增加，FPGA 方案在成本上的优势逐渐缩小，超过某一使用量后，ASIC 方案由于大量流片产生了规模经济，在成本上更有优势。FPGA 方案和 ASIC 方案成本比较4）技术趋势：制程迭代驱动 33 年发展，平台型产品是未来。1985 年赛灵思发明 FPGA 以来，其容量提高了一万倍以上，速度提高了一百倍以上，价格和能耗缩小了一千倍以上。受到先进制程迭代的推动，FPGA 的架构不断更新。1985 年，Xilinx 公司推出了全球第一款 FPGA 产品 XC2064，采用 2μm 工艺，包含 64 个逻辑模块和 85,000 个晶体管，门数量不超过 1000 个。对比 2016 年赛灵思发布的 VIRTEX UltraScale，16nm 制程，系统逻辑单元最高达378 万个。FPGA 制程迭代在提高算力的同时降低了功耗，减小了芯片面积，推动了 FPGA 的性能提升。未来，在技术趋势上，制程迭代+平台产品将是未来产品发展方向。我们仍然看好先进制程带给 FPGA 的性能提升，同时新的产品形态（平台型产品）的出现让FPGA 性能有了进一步提升的可能。