FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

隨著人工智能、嵌入式產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多行業(yè)名詞變得越來(lái)越熟悉，我們今天所說(shuō)的FPGA便是如此，但FPGA到底是什么呢?它的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在哪些方面呢?很多人就不那么清楚了。

什么是FPGA?

所謂FPGA，即"現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列"(Field Programmable Gate Array)的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是一種開(kāi)發(fā)者在短時(shí)間內(nèi)利用個(gè)人PC就可以在其上面實(shí)現(xiàn)自己想要的功能，而且可以多次重寫(xiě)的廉價(jià)設(shè)備。

事實(shí)上, FPGA已經(jīng)得到了全球大多數(shù)用戶(hù)的支持。在2005年時(shí)，在isuppli提供的調(diào)查報(bào)告中顯示，ASIC和PLD (包含F(xiàn)PGA可編程產(chǎn)品) 的銷(xiāo)售量排名中，世界前五名里有兩個(gè)是FPGA供應(yīng)商。在業(yè)界中，美國(guó)XILINX排名世界第一位，IBM排名世界第二位，美國(guó)Altera排名世界第四位。

誕生背景

Xilinx首創(chuàng)了FPGA這一創(chuàng)新性的技術(shù)，并于1985年首次推出商業(yè)化產(chǎn)品“XC2000”。

當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體器件以CMOS LSI為主流，相繼出現(xiàn)了大規(guī)模的邏輯系統(tǒng)。“門(mén)陣列”是當(dāng)時(shí)將邏輯系統(tǒng)LSI化的最簡(jiǎn)單方法。門(mén)陣列是指由半導(dǎo)體廠商準(zhǔn)備出已經(jīng)在硅片上形成了被稱(chēng)為基本單元的邏輯門(mén)的母板，通過(guò)按照用戶(hù)希望的電路進(jìn)行布線，在母板上形成電路的半客戶(hù)定制品芯片。雖然是ASIC中設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的成本和周期最短的，但仍需要幾個(gè)星期的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

另一方面，從PROM派生出來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)可編程器件PLA得到廣泛應(yīng)用。PLA為一個(gè)邏輯器件，用戶(hù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)(應(yīng)用領(lǐng)域)編程。PLA是以集成結(jié)構(gòu)為特征的邏輯LSI，它能夠通過(guò)與PROM程序相同的設(shè)備，寫(xiě)入連接信息。然后，EPROM和EEPROM之類(lèi)的新設(shè)備相繼出現(xiàn)，因?yàn)閷?shí)用且容易使用而廣受歡迎。然而，還是難以自由實(shí)現(xiàn)任意的大規(guī)模邏輯，它們都只能起到輔助作用。

在FPGA誕生的初期，計(jì)算機(jī)研究員是最先感受到FPGA的巨大優(yōu)勢(shì)的。在此之前，要想實(shí)現(xiàn)一個(gè)新計(jì)算機(jī)體架構(gòu)的設(shè)計(jì)想法，必須要開(kāi)發(fā)一個(gè)ASIC作為原型，在面板上安裝很多個(gè)體積龐大的IC。但是，與這些需要投入巨大成本和精力的方式不同，一旦用戶(hù)創(chuàng)建了具有多個(gè)FPGA的原型板，就可以立即運(yùn)行您設(shè)計(jì)的新架構(gòu)。而且，修正和更改規(guī)格也變得輕松簡(jiǎn)單。因此，許多新的架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生因此，對(duì)可重構(gòu)處理器的研究和對(duì)新FPGA架構(gòu)的研究也開(kāi)始蓬勃發(fā)展，在此之后，F(xiàn)PGA使用靈活，適用性強(qiáng)的特征在通信/圖像處理領(lǐng)域也大獲好評(píng)，并將其應(yīng)用于路由器等通信網(wǎng)絡(luò)的各種設(shè)備中。

關(guān)于FPGA的編程技術(shù)

2000年初，SRAM是當(dāng)時(shí)主流的FPGA編程技術(shù)，除此之外還有各種其他類(lèi)型的FPGA編程技術(shù)。

在20世紀(jì)80年代后期，出現(xiàn)了一種具有與SRAM型FPGA不同概念的技術(shù)，被稱(chēng)為“熔絲技術(shù)”(反熔絲技術(shù))。在熔絲技術(shù)中，電路的連接點(diǎn)是熔絲，通過(guò)燒掉熔絲形成回路。反熔絲元件是一種只能編程一次的存儲(chǔ)元件，一旦編程，它就會(huì)以低阻抗導(dǎo)通。據(jù)說(shuō)它比SRAM器件更緊湊，可以實(shí)現(xiàn)高集成度、低阻抗的高速運(yùn)行。熔絲技術(shù)(反熔絲技術(shù))的弊端是不能重寫(xiě)，不能反復(fù)使用。此外，難以降低的價(jià)格也是其缺點(diǎn)。

與此同時(shí)，又一個(gè)新的器件“CPLD”發(fā)布了。這是一個(gè)通過(guò)將多個(gè)小型 PLD 集成到一個(gè) LSI 中形成的可以實(shí)現(xiàn)任意大規(guī)模邏輯電路的PLD。與小規(guī)模PLD一樣，非易失性和可重寫(xiě)的易用性是CPLD的最大特點(diǎn)。但是，CPLD在設(shè)計(jì)自由度方面不如FPGA高。

在1990年代，出現(xiàn)了使用Flash memory的“FLASH型FPGA”。Flash型FPGA同時(shí)具備了SRAM技術(shù)和反熔絲技術(shù)的兩大有點(diǎn)，即可重寫(xiě)和非易失性。但是，由于其構(gòu)造和制造工序復(fù)雜，難以提高集成度和降低價(jià)格。因此，F(xiàn)lash基本沒(méi)有被用在大規(guī)模、高速運(yùn)行的FPGA中。

FPGA和PLD的架構(gòu)

基于SRAM的FPGA和CPLD是目前的主流工藝，高速和大規(guī)模的應(yīng)用使用基于SRAM的FPGA，對(duì)不需要高速和規(guī)模的應(yīng)用容易上手的CPLD是最合適的。無(wú)論哪種，都有制造簡(jiǎn)單和價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。

FPGA設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單的芯片研究，主要是利用 FPGA 的模式進(jìn)行其他行業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。 與 ASIC 不同，F(xiàn)PGA在通信行業(yè)的應(yīng)用比較廣泛。通過(guò)對(duì)全球FPGA產(chǎn)品市場(chǎng)以及相關(guān)供應(yīng)商的分析，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)的實(shí)際情況以及國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的FPGA產(chǎn)品可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展方向，對(duì)我國(guó)科技水平的全面提高具有非常重要的推動(dòng)作用。