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幾十年來，人們一直在尋找重新編程芯片的方法。

現場可編程門陣列或 FPGA 是一種集成電路，可以在制造后重新編程以模擬數字電路。

這些非常適合在批量生產之前制作新功能的原型，或者服務于對于定制芯片來說不經濟的罕見用例。FPGA 并不是第一個具有此功能的器件，但它們是迄今為止商業上最成功的。他們的發展故事是技術與商業的迷人結合。

幾十年來，人們一直在尋找重新編程芯片的方法。

?開始

回到過去，如果有人想在某些實際硬件上制作原型并測試其邏輯功能，那么他們基本上只有兩種選擇。

首先，他們可以使用TTL芯片，這些是可以插入印刷電路板的晶體管。該方法的缺點是受到電路板尺寸和功耗限制的限制。

另一種選擇是定制芯片。正如所料，這種選擇會產生大量的前期成本。這意味著要支付光掩模費用，然后等待數月的制造時間。如果在設計中犯了一個錯誤，那么就無法準確地編輯JS 文件并重新編譯。

如今，這些定制芯片被稱為 ASIC 或專用集成電路。除非你的用例非常大，否則采取這條路徑可能沒有經濟意義。

但是，如果需要擁有一個可以重新編程以具有你原型設計的功能的電路，該怎么辦？隨著 20 世紀 60 年代后集成電路的應用越來越廣泛，現場可編程性開始變得更加迫切。

?PROM

第一個能夠實現可編程邏輯功能的集成電路是可編程只讀存儲器—PROM。

1970 年，Harris Semiconductor 推出了 PROM，可對其進行編程以實現可編程邏輯門陣列—AND 集和 OR 集。輸入首先進入 AND 集。然后，這些輸出會輸入 OR 集，最后輸出給最終用戶。

為什么是“與”門和“或”門？有一種邏輯函數稱為組合邏輯或與時間無關的邏輯。在這里，函數的輸出完全取決于你提供的輸入內容，就像一個確定性系統。

這與順序邏輯函數相反，順序邏輯函數是一種輸出需要其他外部項的邏輯。就像滾動的總和一樣。如果你不記得之前的金額是多少，如何才能保留滾動金額？

回到組合。任何組合邏輯函數都可以由多個“或”門和“與”門來表達。這就是早期現場可編程邏輯電路的目標。

Harris 的 PROM 產品出廠時與門已修復。這意味著它們無法被修改?；蜷T是可編程的。為了使它們可編程，Harris?在發貨時配備了由鎳鉻合金而不是傳統鋁制成的易熔金屬鏈接。

用戶通過“燒毀”開關進行編程——本質上使它們只能一次性使用。這使得編程變得頗具挑戰性。你可以想象，為了不搞砸，有多大的壓力。

Harris在制造這些可燃保險絲方面做出了開創性的工作。他們在晶圓上創建了測試保險絲，并在測試過程中將其熔斷，以確保其正常工作。

事實證明，使用 PROM 實現可編程邏輯并不是真正有效，因為你不需要所有這些存儲單元來完成它，你需要更專業的東西。

?可編程邏輯陣列

1975 年，Signetics（后來成為 NXP Semiconductors 的一部分）向市場推出了可編程邏輯陣列 (PLA)。

通過 PLA，邏輯門的 AND 組和 OR 組都變得可編程。這使得用戶能夠實現更廣泛的邏輯功能，例如最小乘積和，但成本很高。

PLA 需要更大的芯片，從而提高了總體成本。當時每個零件的價格按 1975 年美元計算約為 25 美元，相當于今天的 140 美元。

再次，通過燒毀保險絲連接來編程路線，因此錯誤的代價很高。巨大的靈活性帶來了巨大的容錯能力。不管怎樣，可以在這里看到市場的挑戰。盡管有這些優點，PLA 卻從未真正流行起來。市場仍然需要一些東西來滿足現場可編程性的需求。

?可編程陣列邏輯和 MMI

1977 年，Monolithic Memories 的工程師 John Birkner 和 HT Chua 修改了 PLA，創建了一種新設備。

可編程陣列邏輯（PAL）。是的，實際上只是最后兩個詞顛倒了。PAL 犧牲了一些可配置性來獲得更好的性能和成本。它保留了可編程的 AND 門組，但固定了邏輯門的或集。PAL 設計所做的另一項修改是通過使用宏單元包含時序邏輯電路。

實際的計算機電路混合使用組合邏輯和時序邏輯。因此PAL設計者在PAL輸出端添加了觸發器等時序邏輯類型的器件。

觸發器是一種可以存儲一位信息（通常是 1 或 0）的電路，并可以將其用作輸出計算的一部分。就像電燈開關記住它是否被翻轉一樣。添加這些時序邏輯電路使 PAL 更適合消費者的日常使用。

然后在 20 世紀 80 年代初，新技術的出現使這些電路更易于重新編程。例如，你可以通過窗戶照射紫外線來將其擦除，不再需要保險絲。這些小型現場可編程器件（PLA、PAL 等）可歸類為簡單可編程邏輯器件。

PAL 取得了一些成功并被廣泛制作。內存制造商發現它們與他們的核心產品足夠相似，可以添加到他們的產品中。Monolithic Memories 使用戶可以輕松學習如何使用它們。但 PAL 仍然面臨著一個大問題，新公司很快就出現來挑戰它們的缺點。

?阿爾特拉Altera

1980 年，一群原來自 Intel、Signetics 和 Intersil 的工程師創立了一家名為 Source III 的設計咨詢公司。他們專門幫助公司與其芯片供應商合作，這在設計工具還不夠出色的時代是一件大事。

他們與 ASIC 芯片制造商合作的經驗促使他們嘗試制造自己的現場可編程硬件。就這樣，他們從風投那里籌集了 75 萬美元，并成立了一家新公司——Altera。

他們的第一款產品于 1984 年 7 月發布，是 EP300，一種采用 CMOS EPROM 工藝制成的簡單可編程邏輯器件。它是可擦除的，并且可以編程以滿足各種需求。

PAL 的一個大問題是它的結構無法擴展。摩爾定律允許芯片上有更多的晶體管，但不能簡單地增加與門組并按比例獲得更好的性能。它變得太大并且開始減慢。

因此，為了更好地利用經典微縮技術，Altera 率先推出了復雜可編程邏輯器件。在這里，我們采用一堆較小的 PAL，并使用交叉連接將它們連接起來，以提高可擴展性。

Altera 選擇使用 CMOS 也具有影響力。當時美國還沒有CMOS，公司不得不去日本理光購買。

Altera 的成功預示著當今推動美國半導體世界發展的無晶圓廠設計模式的開始。

?賽靈思Xilinx

Altera 的復雜可編程邏輯器件向前邁出了一步，但正是另一家公司將這一概念變成了我們今天的樣子。

20 世紀 80 年代中期，美國半導體制造商 Zilog 的一位名叫 Ross Freeman 的工程師有了一個想法。

如果摩爾定律繼續下去，那么最終晶體管將變得如此便宜，以至于可以制造出滿足每個人需求的硅片。

他招募了一些 Zilog 同事加入他的新創業公司，幫助實現這個夢想。他們將其命名為 Xilinx，因為其原名 Logica 已被采用并于 1984 年 2 月正式啟用。

他們利用之前與精工公司（數字手表制造商）的聯系，達成了生產新芯片的協議。他們將其宣傳為精工保持工廠忙碌的一種方式，并提供在日本的獨家轉售權。

為了實際設計該產品，Xilinx 聘請了一位名叫 Bill Carter 的年輕設計師。Carter面臨著巨大的挑戰。他們唯一的設計指導是羅斯·弗里曼的專利申請。

此外，Seiko 使用 CMOS 2.5 微米工藝進行制造，而 Carter 此前沒有這方面的經驗，他必須在與太平洋彼岸的一家講日語的晶圓廠溝通時即時學習它。

該芯片必須非常大，精工自己的工程師承認他們以前從未制造過這么大的東西，并提出了這個東西的風險。對于一個年輕的初創公司來說，這樣的事情將是一場災難。

Carter被反復告知要創造一些簡單的東西。不要嘗試任何瘋狂的事情，因為他們可能無法做到。他們制作的東西確實簡單而優雅。

Xilinx XC2064，第一款 FPGA。

?FPGA 的出現

因此，如果我們回到 PAL，就會發現有一組與門和一組或門以及其他電路的宏單元，例如前面提到的觸發器。

與門是芯片現場可編程性的來源。正如我之前所說，PAL 架構的核心問題是，如果 AND 門集變大，那么它就會變慢。這是因為該組內的晶體管數量的增長速度遠遠快于“與”組兩側的輸入/輸出數量的增長速度。這些投入/產出無法快速增長。

FPGA 針對這一缺點的解決方案是完全刪除 AND 門組。FPGA 將具有一系列與可編程開關連接在一起的可配置邏輯塊。設備輸入和輸出放置在設備周圍。

每個可配置邏輯塊內部都有一對查找表，基本上就像映射到輸入的輸出數組。這個查找表就是 FPGA 實現任意邏輯功能的方式。

如有必要，函數結果可以路由到其他邏輯，例如觸發器。邏輯塊之間的互連本身是可編程的。連接可以配置為創建任意路徑，以便一個塊的輸出可以成為其相鄰塊的輸入。

第一批 Xilinx FPGA 要求用戶連接外部存儲器以在斷電時存儲編程。直到幾年后，一家名為 Actel 的公司發明了反熔絲技術，對此有所幫助。

所有這一切與之前相比發生了根本性的變化。PAL 和 PLA 源自內存芯片，它們的結構具有家族相似性。另一方面，FPGA 看起來與此完全不同。

?第一個 FPGA

XC2064 是一款大型芯片，約有 85,000 個晶體管，排列成 64 個可配置邏輯塊和 58 個輸入/輸出塊。這相當于不到 1,000 個門，這在今天看來并不那么令人印象深刻。

然而，早在 1985 年，當該芯片首次流片時，其龐大的尺寸就限制了 Seiko 的制造能力。Carter 和他的團隊焦急地等待著精工收到第一盒 25 片晶圓。

他們打開盒子，希望能夠用一些東西對芯片進行編程。在這 25 個晶圓中，只有 1 個可以工作——第 11 個。Carter非常小心地拿走了最后一塊晶圓，并成功地在逆變器中進行了編程。它奏效了，于是第一個 FPGA 誕生了。

?FPGA 與 PAL

該設備與 Monolithic Memories 的 PAL 設備競爭，大多數客戶將兩者混為一談。它們看起來做著同樣的事情，但本質上 FPGA 與 PAL 有很大不同。

首先，它的成本要高得多。這直接是因為模具太大，導致良率極低。因此，第一塊 FPGA 的成本為數百美元，而 PAL 則便宜得多。PAL 便宜得多，部分原因是它的結構與內存相似。如此相似，以至于內存制造商將它們添加到他們的產品陣容中，每當內存業務遇到困難時就大量生產它們。

其次，FPGA 的新穎性使其使用起來更加困難。Xilinx 推出了自己的電子設計自動化或 EDA 軟件，以幫助將設計融入 FPGA。它很復雜并且很難使用。此外，其性能也不容易預先預測。

與此同時，PAL 更容易理解。他們的 EDA 軟件很簡單，并且可以通過第三方廣泛使用，用戶發現很容易上手。

這種 EDA 福利對消費者來說非常友好，但事實證明它對 PAL 行業是一種長期損害。

?摩爾定律

然而，盡管存在所有這些早期的缺陷和缺點，第一款 FPGA 還是在市場上站穩了腳跟，并最終蓬勃發展。FPGA 如何成為一個可行的競爭對手？

首先，我們得談談摩爾定律。FPGA 的推出恰逢其時——技術與商業機會的交叉點

在技術方面，成熟的光刻技術將經典縮放速度提高到了令人難以置信的速度。正如我所說，FPGA 可以擴展，而 PAL 則不能。因此，當晶體管成本大幅下降時，FPGA 最先受益。

需要連接晶體管。同樣重要的是，一種稱為化學機械拋光的新工藝使代工廠能夠大幅降低 FPGA 互連的制造成本。

突然之間，FPGA 的查找表數量和互連線長度開始呈指數增長。第一個 FPGA 速度緩慢且功能有限，但摩爾定律使其變得更快、更強大。那是技術方面。

在商機方面，20 世紀 90 年代初見證了獨立代工廠的興起。Altera 和 Xilinx 是無晶圓廠創業模式的早期先驅。突然之間，任何一組設計人員都可以提出一個想法，籌集資金，然后聯系一家晶圓廠來制造它，無需首先真正精通半導體制造。

代工廠則可以專注于解決早期困擾精工的問題。他們發現帶有大芯片的 FPGA 確實非常適合磨練和掌握他們的流程。

FPGA 市場因各種全新的 FPGA 初創公司而蓬勃發展。幾乎所有這些初創公司最終都關門大吉或退出 FPGA 業務，但他們引入了優化并發現了新功能。然后，Xilinx 和 Altera 將吸收他們的知識產權和專利，并將其添加到當前的產品陣容中。

?電子設計自動化EDA

另一個很大的區別是軟件。正如我之前提到的，PAL EDA 軟件更易于使用，并且可以通過第三方供應商廣泛使用。

然而，這種對消費者友好的局面也有其劣勢。PAL 制造商無法控制軟件，因此無法決定其硬件的功能。這完全取決于他們的第三方 EDA 供應商。PAL 制造商很快意識到他們只能做 EDA 軟件制造商能夠支持的事情，這限制了他們。

所有 PAL 制造商最終都生產類似的硬件，例如廉價的 Wintel PC 制造商。市場跌至最低點。

與此同時，FPGA 控制著自己的 EDA。就像 Nvidia 編寫自己的驅動程序一樣，它允許 FPGA 公司決定自己的未來，制作軟件以實現更多功能并增加自動化以提高生產力。

?結論

Xilinx 和 Altera 繼續占據數十億美元 FPGA 行業的多數份額。盡管這兩家公司不再獨立。英特爾早在 2015 年就以約 167 億美元的價格收購了 Altera。AMD 估計以 500 億美元收購了 Xilinx，最終于 2022 年完成。

如今，FPGA 已廣泛應用于各個行業。隨著 ASIC 的設計和制造成本越來越高，FPGA 填補了市場上的寶貴空白，尤其是在航空航天、軍事和電信領域。

它們不斷獲得新的功能，擴展到人工智能處理和數據中心等領域。挑戰仍然存在，我們將在以后的視頻中討論這些挑戰，但 FPGA 的功能和成功是一個獨特的硅谷故事，也是行業創新能力的體現。

審核編輯：劉清