FPGA的優勢及潛在局限性介紹

引言：FPGA（Field Programmable Gate Array）作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，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有限的缺點。然而我們在進行產品開發時，需要考慮產品材料成本、開發難易程度、上市時間、功耗、可擴展性（或升級換代）等眾多因素時，FPGA可能并非最優“六邊形戰士”。本文我們就FPGA的優勢及潛在局限性進行介紹，以給于項目技術決策中參考。

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FPGA技術優勢

了解FPGA器件何時適合實現所需的系統功能是理解FPGA技術的關鍵要素。設計團隊明白FPGA技術并不適用于每一個設計或應用程序。能夠識別FPGA技術何時適合項目是一項關鍵的設計技能。如果產品在生命周期中可能發生重大功能變化，此時設計者將從FPGA技術中實現最大受益。在評估項目是否采用FPGA技術時，應考慮以下設計特征：

1）設計穩定性：設計在其使用壽命內是否可能經歷需要設計更新？需求是否足夠穩定，可以選擇合適的FPGA家族和器件？

2）上市時間：是否有一個非常小的機會窗口盈利釋放到市場？是否要求在盡可能短的時間內演示產品功能？替代實施方案的時間表如何？ 3）性能：是否可以使用FPGA技術實現所需的功能性能？所需的功能能否在當前可用的FPGA器件中實現？ 4）物理限制：設計是否需要盡可能低的功耗？設計是否需要占用盡可能小的PCB電路板面積？該項目是否存在生產限制？ 5）成本：是否有專門的分立組件可以以較低的成本實現所需的功能？包括工具、培訓和NRE在內的替代方案的成本是多少？通過開發可重復使用的設計元素，開發成本是否可以分散到幾個項目中？是否可以利用預先實現的參考設計或IP設計？

6）可用性：具有所需性能/尺寸的組件能否及時用于批量生產？是否有實現所需功能的固定功能組件可用？在產品及其衍生品開發時，固定功能實現是否可重復使用？

對于需要快速推向市場的設計，可以從FPGA技術中受益。隨著FPGA設計流程的加快，基于FPGA電路板可以與FPGA軟件功功能同步進行，這有著顯著的時間表優勢。如果FPGA是可重新編程的，則設計可以在交付給客戶后遠程更新。

對于沒有完全定義的需求或功能的設計頁非常適合FPGA，因為它們幾乎可以在設計生命周期的任何階段適應功能變化。在交付給客戶之前，基于FPGA的設計可能會經歷重大的功能實現更改和更新。通過正確的設計實施，即使在產品交付給客戶之后，也可以進行設計更改。如果預期當前或未來的設計實現具有增強或修改，則FPGA技術更加適合應用。以下快速摘要提供了FPGA潛在優勢的列表。

表1：FPGA技術應用優勢表

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FPGA技術潛在的限制

如前所述，FPGA給設計帶來的最大優勢是靈活性，即在產品生命周期的任何階段支持更改的能力。與能夠利用FPGA靈活性的設計相比，具有明確定義、固定功能的設計將受益更少。如果在項目生命周期內進行設計更改的需求非常有限，那么FPGA很可能不是該應用程序的最佳選擇。以下列表包含一些潛在的限制。 表2：FPGA技術應用潛在限制表

在某些特定應用中，FPGA技術可能不合適。具有堅實、完整需求和穩定、固定或成熟功能的項目不太可能非常適合FPGA技術，因為這些設計無法從FPGA技術固有的靈活性中獲得太多好處。

圖2：聚焦FPGA應用差異

FPGA可能不合適的另一個領域是具有“最佳”或“最低”要求的項目。具有“最低功率”、“最低分立固定功能組件價格”或“最高時鐘速度”等要求的項目可能不是FPGA技術的理想應用。然而，一些具有極端要求的項目可能仍然能夠在FPGA內實現，并創造性地應用FPGA的優勢。

圖3：分立器件實現5G收發鏈路功耗估計

一個示例設計就是一個具有高性能信號處理要求的項目。雖然FPGA組件可能不會在所有技術中表現出最快的時鐘速率，但某些數據處理算法可以通過并行架構有效地實現。使用FPGA和適當的資源，可以在單個部件內以較低的成本實現所需的信號處理功能，具有優越的性能和較低的功耗。

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結論

基于以上描述，一旦項目設計團隊完成了權衡研究，并確定FPGA技術適合他們的設計，早期項目決策階段就開始了。對于FPGA技術非常適合的項目，懸而未決的問題變成了如何最有效地實現設計。設計團隊必須根據項目要求、以往經驗和可用資源，選擇最好的FPGA制造商、器件系列、封裝和部件，后續文章我會詳細介紹相關內容。

審核編輯：黃飛

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