1.FPGA是什么？

FPGA（Field Programmable Gate Array）：現場可編程門陣列，其作為一種半定制芯片，具有現場可編程性，非常靈活，可重復使用的特點，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有限的缺點，適合要求物理運算邏輯持續更迭的應用，例如人工智能算法優化、數據中心、網絡通信等。由于FPGA還可以重新編程，因此計算機用戶可以使用FPGA現場可編程門陣列自定義微處理器的功能，以滿足特定的個性化需求。

更通俗的理解，FPGA沒有出現之前，可以把集成電路可以看做為一幢建好的房子，一旦竣工就不能修改它的主體機構，期間也會浪費很多材料。而FPGA可以類比成建造分房子所需要的零部件或者堆積木的零件，想可以根據你的想法自由組合，如過不滿意，可以拆了重新搭建，這個過程就叫做可編程邏輯。

2.FPGA的工作原理

FPGA芯片主要包含以下模塊：

1.可配置的邏輯塊

現場可編程門陣列的基本構建模塊是CLB。它是一個邏輯單元，可以設置或編程以執行特定任務。連接塊連接到基本構建基塊。其組件包括攜帶和控制邏輯、晶體管對和查找表（LUT）。以此執行設計所需的邏輯操作。同時，可以使用基于邏輯的多路復用器或LUT來創建CLB。基于LUT邏輯中的模塊由D觸發器，查找表和2：1多路復用器組成。然后，多路復用器選擇正確的輸出。

2.可編程互連

位于不同邏輯塊中的邏輯單元之間的所有獨特連接都存在于現場可編程門陣列的這一區域中。包含多個基本半導體開關的開關盒通常用于實現互連。這些電氣可編程鏈路為這些可編程邏輯模塊提供了路徑，不同長度的線段可以沿著布線路徑找到，并由電氣可編程開關連接。FPGA密度由用于布線路徑的器件數量決定。FPGA的單元或輸入焊盤的輸出可以連接到電路中的任何其他單元或焊盤，利用對每個現場可編程門陣列至關重要的可編程互連點。

3.可編程路由

可編程路由至關重要，因為它通常占結構表面的百分之五十以上以及應用程序的關鍵路由延遲。可編程布線由預制線段和預配置的開關組成。通過配置正確的開關組合，功能塊的任何輸出都可以鏈接到任何輸入。設計本質上是分層的，高級組件實例化較低級別的模塊并鏈接其中的信號，從而為可編程門陣列提供了動力。可編程門陣列可以使用連接芯片離散部分的短線來構建這些連接，因為在設計層次結構中靠近在一起的模塊之間更頻繁地進行通信。FPGA的密度和性能受到路由設計的影響。

4.可編程I/O模塊

接口引腳用于將邏輯模塊與外部組件連接起來。現場可編程門陣列和外部電路之間的接口是IOB（輸入輸出模塊），這是一種可編程輸入和輸出器件，用于滿足各種電氣特性下輸入/輸出信號的驅動和匹配需求。I/O塊將路由體系結構和CLB連接到外部元素。在封裝引腳和器件的底層電路之間，輸入/輸出模塊提供可編程的單向或雙向連接。實現應用需要從頭開始構建電路，因為以前的現場可編程門陣列缺乏運行任何軟件的處理器。因此，FPGA可能被編程為像OR門一樣簡單，或者像多核處理器一樣復雜。

5.片上存儲器

集成在FPGA邏輯塊中的FFS是FPGA系統中片上存儲元件的一種形式。目前，隨著現場可編程門陣列邏輯容量的提高，其被用于更廣泛的系統中，這些系統幾乎總是需要存儲器來緩沖和重用芯片上的數據。構建由寄存器和LUT組成的大型RAM的密度比SRAM塊低100倍左右，因此還需要具有更密集的片上存儲。此外，在現場可編程門陣列上實現的應用程序的RAM要求差異大不相同。

6.數字信號處理（DSP）模塊

在運輸鏈之前，商業現場可編程門陣列系統中使用的專用算術電路是加法器。由于需要在利用LUT和攜帶鏈的軟邏輯中加入乘法器，因此產生了嚴重的面積和延遲損失。且用于現場可編程門陣列的高乘法器密度信號處理和通信應用具有相當大的市場份額，設計人員開發了新穎的實現來解決軟邏輯乘法器實現效率低下的問題，這稱為數字信號處理或DSP。

無乘法分布式算術技術是使用基于LUT的現場可編程門陣列創建高效有限脈沖響應（FIR）濾波器設計的一種方法。乘法器是FPGA系統中作為專用電路進行強化的主要候選者，因為它們在關鍵應用領域的現場可編程門陣列設計中普遍存在，并且在軟邏輯中實現時尺寸、延遲和功耗的降低。

7.系統級互連

DDR內存和以太網的興起只是FPGA容量和帶寬穩步增長的幾個原因。管理這些高頻端口和不斷增長的結構之間的數據流量是一項挑戰。這種系統級鏈路過去是通過設置特定的FPGA邏輯和路由元件來形成軟總線來建立的，總線在必要的端點之間完成流水線多路復用和布線。更寬總線是匹配這些外部接口帶寬的唯一方法，因為它們以比現場可編程門陣列結構更高的頻率運行。由于大量和物理上很長的總線的組合，定時閉合具有挑戰性，并且通常需要對總線進行相當大的流水線處理，從而增加了資源消耗。

3.FPGA 的主要廠商

目前，國內FPGA兩大主要廠商是AMD（xilinx）和 Intel（altera）的FPGA。

3.1 AMD（xilinx）

Xilinx是全球領先的可編程邏輯完整解決方案的供應商，2022年被AMD以350億美元全股份交易的方式收購Xilinx。

其開發工具：Vivado和ISE。ISE是老開發軟件，目前基本上已經被vivado取代，只有xilinx公司的一些十幾年前生產的FPGA才使用ISE開發，新的FPGA都支持更好用的vivado。其第六代及以前的產品的開發工具為ISE ，從第七代產品開始，已全部轉移到vivado平臺。

其FPGA主要產品包括：

1、Spartan系列：定位于低端市場，目前最新器件為Spartan7，為28nm工藝，Spartan6以前都是45nm工藝，該系列器件價格實惠，邏輯規模相對較小。

2、Artix系列：Xilinx推出Artix系列FPGA產品，其目的應該是作為低端Spartan和中高端Kintex系列FPGA的過渡產品，尤其在通信接口方面，Artix系列相比Spartan有很大優勢。所以，如果設計不是僅僅需要邏輯資源，而是需要先進的高速接口，不妨考慮Artix系列。

3、Kintex和Virtex系列為Xilinx的中、高端產品，包含有28nm的Kintex7和Virtex7系列，20nm的Kintex7 Ultrascale和Virtex7 Ultrascale系列，還有16nm的Kintex7 Ultrascale+ 和Virtex7 Ultrascale+系列。其擁有豐富的高速接口，主要用于通信，雷達，信號處理，IC驗證等高端領域。

4、全可編程SoC和MPSoC系列，包括有Zynq-7000和Zynq UltraScale+ MPSoC系列FPGA，內嵌有ARM Cortex系列CPU內核。

3.2 Intel（altera）

altera：是與Xilinx齊名的FPGA供應商。2015年被CPU芯片界的巨頭Intel以167億美元收購，因此現在也稱為Intel的FPGA。

開發工具：QuartusII。

其主要產品包括：

1、MAXII系列：MAXII 系列為CPLD, Altera以其CPLD聞名。

2、Cyclone系列：最新為Cyclone10，性價比高，類似于xilinx 公司的Spartan系列和Artix系列。

3、Stratix系列：最新為Stratix10，為高端應用，與Xilinx的Kintex、Virtex系列競爭。

4、Arria系列：SOC系列FPGA, 內置ARM Cotex A9的核。

5、Intel的新產品arria 10 fpga系列：支持DDR4存儲器接口的FPGA。硬件設計人員現在可以使用最新的Quartus II軟件v14.1，在Arria10 FPGA和SoC設計中實現DDR4數據讀寫

此外，Lattice、Actel、Atmel等公司也有FPGA產品，由于市場份額小，市面上很少見到，此處不再介紹。相較于國際大廠，中國本土FPGA廠商整體實力較弱，廠商在技術水平、軟件易用性、市占率等方面都與國際大廠存在一定差距，主要以偏低端的CPLD和小規模FPGA器件為主。代表企業包括復旦微電子、紫光同創（紫光國微持股）、安路科技和高云半導體、西安智多晶、京微齊力、上海遨格芯和成都華微科技。

4.FPGA產品最新進展

4.1 Intel產品

2022年11月14日，英特爾?FPGA中國技術周線上開幕，其最新推出的基于Intel 7制程工藝的Agilex D系列和Sundance Mesa系列的FPGA的相關產品路線圖，可用于數據中心的5G、AI場景，相比于上代Stratix 10可以將性能提高45％，功耗則降低40％。相關產品路線圖如下：

• 英特爾? Agilex? D系列FPGA：采用 Intel 7 制程工藝，能夠將其性能擴展至中端 FPGA 應用中，且在擁有高性能的同時，可提供相較于目前Agilex F/I/M 系列更小的外形規格及更低的功率與密度。預計于2023 年上半年英特爾? Quartus? Prime Software開始支持該產品，2023 年下半年上市，2024 年上半年投產。
• 全新英特爾? Agilex? FPGA（代號Sundance Mesa）：采用Intel 7 制程工藝，旨在為邊緣、嵌入式等應用場景提供高能效的性能。與英特爾Agilex? D系列FPGA相比，Sundance Mesa憑借更低功耗、更小外形規格和邏輯密度的優勢，擁有更廣闊的應用市場。預計于2023 年上半年英特爾Quartus Prime Software開始支持該產品，2023 年下半年上市，2024 年上半年投產。
• 支持CXL和PCIe 5.0的英特爾Agilex? FPGA：基于Intel 7制程工藝和芯粒設計，其不僅能夠支持Compute Express Link（CXL）和PCIe 5.0，亦提供了高帶寬，從而為要求極為苛刻的處理器工作負載提供更大的加速。目前，該產品的首批設備正在出貨給早期客戶。
• 英特爾 Tofino擴展架構：基于Intel 7制程工藝和P4可編程性，其不僅能夠實現更大的性能優化靈活性，亦能夠在開放標準的情況下達到較低TCO（總體擁有成本）

4.2 AMD產品

AMD基于產業在 2022 年及今后普遍面臨供應鏈挑戰，很多細分市場，例如汽車電子、工業應用、數據中心等客戶需要更長的產品壽命（通常要求 15 年的生命周期），許多產品還需支持更長的生命周期。AMD -賽靈思正式宣布對所有 7 系列 FPGA 和自適應 SoC 的支持將至少延長至 2035 年。包括等Spartan-7、Artix-7、 Zynq-7000 SoC 、Kintex-7、Virtex-7系列產品。

• Spartan-7系列是7系列中的入門芯片。擁有最低的價格、最低的功耗、最小的尺寸以及最低的設計難度，一些低端應用中極為合適。能以小型封裝提供高單位功耗性能
• Artix-7系列是7系列中的中端系列芯片，相對Spartan7系列增加了串行收發器和DSP功能，其邏輯容量也更大，適合邏輯一些稍微復雜的中低端應用。能以低功耗提供高收發器帶寬。
• Zynq-7000 SoC 將基于 Arm 處理器的軟件可編程性與 FPGA 的硬件可編程性相結合。
• Kintex-7系列是7系列中的中高端系列，是在所有系列中擁有最佳的性價比，無論是內核數量還是邏輯容量，都能滿足全部中低端、以及部分芯片高端應用需求。
• Virtex-7系列是7系列中的旗艦高端系列，價格高昂，只在高端應用中使用，在中低端應用顯得大材小用。