簡單認識現場可編程門陣列

現場可編程門陣列 (Field Programmable Gate Array, FPGA)也稱為現場可編程器件，是在 PROM ( Programmable Read Only Memory )、PLD ( ProgrammableLogic Device)、 PLA ( Programmable Logic Array)、 GAL (Gate Array Logic)、CPLD ( Complex Programmable LogicDevice）等可編程器件的基礎上，發展成的一種半定制化集成電路芯片，它具有硬件可編程的特點。

1985年 Xilinx 公司推出全球第一款 FPGA 產品 XC2064， 使用了 2μm 制造工藝，包含64個邏輯塊（合1200個邏輯門）。 2003 年 Xilinx 公司推出了 90nm制造工藝的 Spartan-3 系列產品，隨后又推出了 65nm制造工藝的 Virtex-5 系列產品和 45nm制造工藝的 virtex-6系列產品。2011年 Xilinx公司和 Altera 公司相繼推出了 28nm制造工藝的 FPGA 產品，這些產品具有高效的邏輯集成功能和更低功耗。2016年Xilinx公司和 Altera 公司推出了 16nm 制造工藝的 FPGA 產品。

FPGA主要由可編程輸入/輸出單元(I/O Blocks）、可編程邏輯塊（Configurable Logic Block, CLB，簡稱邏輯單元）、嵌入式 RAM、可編程布線、底層嵌入功能單元和內嵌專用硬核六大部分組成?？删幊踢壿媺K是 FPGA 的基本邏輯單元，它由觸發器（Trigger）和查找表 （Look-Up Table, LUT)兩部分組成。

FPGA 芯片包含數以百萬計的邏輯單元，配置它們實現特定的邏輯功能十分復雜，需要使用專用 EDA 開發工具編譯出對應的配置文件或二進制碼流。主流的 FPGA 廠商的 EDA 開發工具主要有 Altera（2015 年被Intel 并購）的 QuartusⅡ、Xilinx 的ISE 和 Vivado、Lattice 的 ispLEVER、 Atmel (2016 年被 Microchip 并購）的pASSP 和 Actel （2010年被 Microsemi 并購）的Libero。

FPGA 設計方法的發展可劃分為三個時代，即硬件描述時代、嵌入式軟核時代和異構系統時代。

硬件描述時代是 FPGA設計的第一個時代。設計人員根據待設計的電路功能使用硬件描述語言 ( Hardware Description Language, HDL）完成開發。由于模塊化數字電路可被封裝為 IP （Intellectual Property）核的形式，使用 IP 核完成FPGA 的最終設計，可大大提高效率。

嵌入式軟核時代是 FPGA 設計的第二個時代。它以 Altera 公司的微處理器軟核Nios Ⅱ和 Xilinx公司的微處理器軟核Microblaze 為代表。設計人員利用 FPGA內部的邏輯資源搭建微處理器軟核，再將 I/0 接口等IP軟核連接至微處理器軟核總線，從而構成可編程系統芯片 (Programmable Systemon Chip，PSoC)。設計人員可使用C、C++等高級語言控制可編程片上系統工作，實現軟硬件協同設計。?????

在功耗、性能和開發周期等因素的驅動下，FPGA 設計進入了異構系統時代。以CPU 為核心的哈佛結構（或馮氏結構）和可編程邏輯電路同時存在于FPGA中，使異構系統更具綜合優勢。例如，Altera 的 Cyclone V 系列和 Xilinx的Zynq系列均包含ARM硬核。同時，隨著高層次綜合 ( High -Level Synthesis，HLS)的推出，FPGA 的 EDA 工具得到進一步的發展，可直接使用C、C++等語言對 FPGA 進行硬件編程，更大程度地提高了 FPGA 的設計效率。

2010 年后，神經網絡技術在人工智能領域得到了廣泛的應用。FPGA 因具有高度并行、高吞吐量、低功耗和可重構等特點而備受關注，成為在實現深度學習算法的系統中提高性能功耗比的重要器件。

審核編輯：湯梓紅