FPGA和其他可编程逻辑IC的不同之处.docx

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1、FPGA是一种集成电路，包含许多（64至IOoOO多个）相同的逻辑单元，可以将它们视为标准组件。每个逻辑单元可以独立承担一组有限的个性中的任何一个。单个单元通过电线矩阵互连和可编程开关。通过为每个单元指定简单的逻辑功能并有选择地闭合互连矩阵中的开关来实现用户的设计，通过将这些基本模块组合以创建所需的电路来创建复杂的设计现场可编程意味着FPGA的功能由用户的程序定义取决于设备的具体情况，该程序会在电路板组装过程中永久或半永久性地“刻录”，或在每次开机时从外部存储器加载。可配置元素FPGA具有三个主要的可配置元素：可配置逻辑块（CLB）,输入/输出块和互连。CLB提供用于构建用户逻辑的功能元素。I

2、OB提供封装引脚和内部信号线之间的接口。可编程互连资源提供路由路径，以将CLB和IoB的输入和输出连接到适当的网络。现场可编程门阵列（FPGA）提供了定制CMoSVLSI的优势，同时避免了传统掩膜门阵列的初始成本，时间延迟和固有风险。通过将配置数据加载到内部存储单元中来定制FPGA0复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）成为每个系统设计的关键部分。有许多具有不同架构/过程的不同FPGA。FPGA分类目前，在市场上可以买到的FPGA主要有四类：对称阵列，基于行，分层PLD和门海。在所有这些FPGA中，互连及其编程方式都不同。四种技术当前有四种技术正在使用中。它们是：静态RA

3、M单元，反熔丝，EPROM晶体管和EEPROM晶体管。取决于应用，一种FPGA技术可能具有该应用所需的功能。Ol静态RAM技术在静态RAM中，FPGA可编程连接是使用通过晶体管，传输门或SRAM单元控制的多路复用器进行的。该技术允许快速在线重新配置。主要缺点是RAM技术所需的芯片尺寸以及需要从某个外部源（通常是外部非易失性存储芯片）将芯片配置加载到芯片上。FPGA可以从外部串行或字节并行PROM（主模式）中主动读取其配置数据，也可以将配置数据写入FPGA（从模式和外设模式）。FPGA可以被编程无数次。02防熔丝技术防熔丝处于高阻抗状态。并可以设置为低阻抗或“熔融”状态。该技术可用于编写比RAM

4、技术便宜的设备。03EPROM技术此方法与EPROM存储器中使用的方法相同。无需外部配置存储即可存储编程。基于EPROM的可编程芯片无法在网上进行重新编程，需要通过UV擦除进行清除。04EEPROM技术此方法与EEPRoM存储器中使用的方法相同。无需外部配置存储即可存储编程。基于EEPROM的可编程芯片可以电擦除，但通常无法在线进行重新编程。FPGA的特点通信，计算和消费电子行业中的许多新兴应用都要求在系统制造后保持其功能灵活。为了应对不断变化的用户需求，系统功能的改进，不断变化的协议和数据编码标准，支持各种不同用户应用程序的需求等，需要这种灵活性。FPGA具有大量此类单元，可用作复杂数字电路

5、中的构建块。自定义硬件从未如此轻松地开发。像微处理器一样，基于RAM的FPGA可以在几分之一秒内在电路中进行无限地重新编程。甚至可以针对现场产品进行设计修订，并且可以轻松快捷地实现。利用重新配置还可以减少硬件。尽管可重配置FPGA技术己经在商业上使用了十多年，但是能够支持可重配置系统设计的可用工具的数量仍然非常有限。许多这样的现有工具都基于常规的静态FPGA设计流程，并且需要专家技能和即兴创作才能产生可工作的可重配置系统。从理论上讲，FPGA结合了专用的，针对应用进行了优化的硬件的速度以及可以灵活地更改芯片资源分配的能力，因此同一系统可以运行针对每个应用进行了优化的许多应用。但是从历史上看，F

6、PGA一直很难编程，以至于很难利用这些优势。能够支持可重配置系统设计的可用工具数量仍然非常有限。附参考资料：FPGA逻辑芯片介绍一、FPGA芯片基本情况(一)FPGA芯片介绍现场可编程门阵列(Field-PrOgrammableGateAlTay,FPGA),是基于通用逻辑电路阵列的集成电路芯片，和ASlC芯片不同，其最大的特点是芯片的具体功能在制造完成以后由用户配置决定，因此得名“现场可编程”。用户可通过配套的FPGA专用EDA软件实现具体功能，首先由专用EDA软件接受用硬件语言描述的用户电路，其次编译生成二进制位流数据，最后将位流下载到芯片中实现用户所需的功能。FPGA芯片由可编程的逻辑单

7、元(LogicCell,LO输入输出单元(InputOutputBlock,IO)和开关连线阵列(SwitchBox,SB)三个部分构成。1.LC逻辑单元通过数据查找表(look-uptable,LUT)中存放的二进制数据来实现不同的电路功能。LUT的本质是一种静态随机存取存储器(StaticRandomAccessMemory,SRAM),其大小是由输入端的信号数量决定的，常用的查找表电路是四输入查找表(4-inputLUT,LUT4)、五输入查找表(5-inputLUT,LUT5)和六输入查找表(6-inputLUT,LUT6)0查找表输入端越多，可以实现的逻辑电路越复杂，因此逻辑容量越大

8、，但是查找表的面积和输入端数量成指数关系，输入端数量增加一个，查找表使用的SRAM存储电路面积增加约一倍。不同的逻辑单元结构可以使用不同大小的杳找表，或者是不同查找表类型的组合。此外，逻辑单元内部还包含选择器、进位链和触发器等其他组件。为了提高芯片架构效率，若干逻辑单元可以进一步组成逻辑块(LogicBlock),逻辑块内部提供快速局部资源，从而形成层次化芯片架构。2.10&SB输入输出单元是芯片与外界电路的接口部分，用于实现不同条件下对输入/输出信号的驱动与匹配要求。开关阵列能够通过内部MOS管的开关控制信号连线的走向。FPGA芯片的逻辑容量规模由逻辑阵列的大小决定，通常以等效成LUT4的逻

9、辑单元数进行统计。FPGA芯片结构输入输出单元（二）FPGA芯片概况FPGA芯片属于逻辑芯片大类。逻辑芯片按功能可分为四大类芯片：通用处理器芯片（包含中央处理芯片CPU、图形处理芯片GPU、数字信号处理芯片DSP等）、存储器芯片（Memory）,专用集成电路芯片（ASIC）和现场可编程逻辑阵列芯片（FPGA）。与其他三类集成电路相比，FPGA芯片的最大特点是现场可编程性。无论是CPU、GPU、DSP、Memory还是各类ASIC芯片，在芯片被制造完成之后，其芯片的功能就已被固定，用户无法对其硬件功能进行任何修改。而FPGA芯片在制造完成后，其功能并未固定，用户可以根据自己的实际需要，将自己设计

10、的电路通过FPGA芯片公司提供的专用EDA软件对FPGA芯片进行功能配置，从而将空白的FPGA芯片转化为具有特定功能的集成电路芯片。每颗FPGA芯片均可以进行多次不同功能配置，从而实现不同的功能。因此，就FPGA芯片公司而言，不仅需要提供芯片，还需要提供FPGA专用EDA软件来对芯片进行配置。所以FPGA芯片公司不仅仅是集成电路设计企业，还必须是集成电路EDA软件企业。（三）技术指标FPGA是一种可以在硅片上预先设计的具有可编程性的半定制电路。重要指标有三个：工艺制程（nm）：直接影响芯片的功耗和性能，工艺尺寸越小，功耗越低，单位面积晶体管数量越多，成本越低。逻辑门：代表FPGA的可开发潜力，

11、门级越大，可开发功能越多。SerDes速率：直接反映FPGA与外界联通能力，传输速率越快，实际性能越好。相比ASIC,FPGA芯片有以下特点：高算力：适应大规模并行计算FPGA是典型的硬件逻*串寄存器和片上内存属于各自的控制逻辑，无需通过指令译码、共享内存来通信，各硬件逻辑可同时并行工作，大幅提升数据处理效率，因此FPGA可以作为CPU的加速器运用于数据中心，帮助数据处理以及计算。无需流片：用量小时具有成本优势FPGA单片成本比ASIC高，但无需支付高额的流片费用，在小批量出货时，FPGA更具成本优势，适用于航天飞机、雷达等高价值、小批量国防安全专业设备领域；具有可编程性：产品上市周期短客户可

12、以根据自身需求将FPGA变成特定产品，抢5G基站等技术迭代快、上市周期较快领域的首发。可以灵活修改：利于长期维护和升级ASIC的接口可能存在兼容方面或者维护方面的问题,而FPGA能够根据现场的情况或者改变做出适时的调整和修改，无需重新设计和费用投入。然而，与ASIC相比，FPGA芯片速度较慢，能耗更高。ASIC内部架构虽较为简单,不可以硬件编程，但在执行专门任务时效率最高；而FPGA为追求灵活性，牺牲了一定程度的处理效率，属于在灵活性和性能上取了平衡。因此，FPGA在大批量使用场景下成本太高，所以一般用于开发阶段，而当技术成熟需要大规模生产时逐渐转向ASICo二、应用领域FPGA芯片是通过现场

13、编程实现任意电路功能的通用集成电路芯片，芯片出厂时没有特定的功能,通过FPGA专用EDA软件现场对硬件进行编程就可以实现具体用户需要的功能。FPGA芯片因为其现场可编程的灵活性和不断提升的电路性能，下游应用领域非常丰富，包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等领域，这些领域需求增长明确，发展空间广阔。在消费电子市场，FPGA起到简化外围电路设计的效用油于设备内部的信号协议不尽相同，传统的设计需要专用的接口芯片进行数据格式的转换。但是，如果单一设备需要的接口较多，终端设备便需要较多的外围芯片、其体积和功耗都较大，而FPGA芯片可以实现各种存储接口的控制、起到简化外围电路设

14、计的效用。在汽车市场，FPGA芯片有效应对自动驾驶技术快速选代的需求:相较其他通用芯片方案，FPGA方案在辅助驾驶的视频分析功能中可采用超低延时精确算法对来自车辆摄像机的实时视频输入信号进行分析。并且，FPGA方案可以在不进行重新设计的提下实现重新编程以适应不断发展的算法，从而缩短整体方案的开发周期。FPGA芯片在工业领域应用非常广泛:随着智能化与自动化技术的发展，工业领域正逐渐从以人力资源为核心要素转向为以自动化为核心要素的智能化无人工厂。受益于业智能化、无人化的发展趋势，FPGA芯片高效能、实时性、高灵活性的特点使其大量应用在视频处理、图像处理、数控机床等领域。FPGA的高吐量和低延迟优势

15、在人工智能领域前景广:人工智能算法的硬件芯片实现分为云侧处理和端侧处理。在云侧处理领域，依托高度灵活性及并行运算能，FPGA芯片可以做到真正的并行运算，且其可编程性又可实现灵活搭建数据处理流水线，较为适合人工智能的实时决策需求。在端侧处理领域，随着智能终端对实时响应和多样化应用的需求，越来越多的推断任务被转移到端侧来完成，FPGA芯片可实现快速推断决策的特点也使其可广泛应用于该领域。通信领域是FPGA芯片的最大市场:相较于其他类型芯片，FPGA芯片一方面依靠其运算速度可以有效满足通信领域高速的通信协议处理需求，另一方面又可依靠其灵活性以适应通信协议持续迭代的特点。此外，FPGA芯片对于复杂信号

16、、多维信号的处理能力较强，可较好适应日益复杂的网络环境。基于以上特点，FPGA芯片己被大规模应用于通信领域。数据中心中FPGA具有性能均衡的优势:FPGA芯片在数据中心领域主要用于硬件加速,数据中心使用FPGA芯片代替传统的CPU方案后，处理其自定义算法时可实现显著的加速效果。相比于CPU,FPGA芯片由于其无指令、无需共享内存的体系结构，能够同时提供强大的计算能力和足够的灵活性;相比GPU,FPGA芯片在数据中心具有低延迟及高吞吐的优势;相比ASlC,FPGA芯片在性能、灵活性、同构性、成本和功耗等五个方面可以达到出色的平衡。三、行业发展情况FPGA芯片具有灵活性高、应用开发成本低、上市时间短等优势使其应用场景覆盖了包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等广泛的下游市场，根据FrOSt&Sullivan数据，从2016年的约43.4亿美