什么是FPGA？从基础概念到应用领域的全面解析

什么是FPGA？从基础概念到应用领域的全面解析

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/m0_69251885/article/details/145056241

FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种现场可编程逻辑门阵列，它在硬件设计领域具有重要地位。本文将从芯片基础、FPGA与ASIC的区别、FPGA的优势、主要厂商、应用领域以及数字芯片描述语言等多个维度，全面介绍FPGA的相关知识。

一、芯片（IC，集成电路）

1、芯片是什么

芯片其实就是半导体+集成电路也就是我们常说的IC（Integrated Circuit）；例如大家熟悉的CPU、GPU、DSP、Modem，还有一些存储芯片。其实蓝牙、WiFi、4G、5G通信等设备中都包含有相关芯片。芯片常在电子设备中扮演着大脑的角色。

• CPU 中央处理器 （Central Processing Unit）
• GPU 图形处理器 （Graphics Processing Unit）
• DSP 数字信号处理器 （Digital Signal Processor）
• Modem 调制解调器 （Modulator-Demodulator）

2、芯片分类

a. 模拟芯片

模拟集成电路主要是指由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路。有许多的模拟集成电路，如运算放大器、模拟乘法器、锁相环、电源管理芯片等。模拟集成电路的主要构成电路有：放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。模拟芯片主要包括电源管理芯片和信号链芯片。

b. 数字芯片

数字集成电路，也就是我们常说的数字芯片，是一种将元器件和连线集成于同一半导体芯片上，而制成的数字逻辑电路或系统。数字集成电路是基于数字逻辑(布尔代数)设计和运行的，用于处理数字信号。我们重点学习的就是数字芯片。

二、FPGA与ASIC的区别

FPGA 现场可编程门阵列 (Field Programmable Gate Array)
ASIC 专用集成电路 (Application Specific Integrated Circuit)

ASIC：是一种在设计时就考虑了设计用途的IC。
FPGA：是一种可以进行重新编程设计的IC。

1. ASIC是从一开始就确定好了它的功能和实现。

ASIC就像是用模具来做玩具。事先要进行开模，比较费事。而且，一旦开模之后，就没办法修改了。如果要做新玩具，就必须重新开模。

ASIC芯片也是这样，做一款ASIC芯片，首先要经过代码设计、综合、后端等复杂的设计流程，再经过几个月的生产加工以及封装测试，才能拿到芯片。在大规模生产ASIC芯片之前还需要进行试生产。就是像流水线一样生产几片晶圆，验证一下芯片能否满足需求。而流片是很烧钱的，像是28nm工艺流片一次需要2200万美元；14nm工艺流片一次需要500万美元；7nm工艺流片一次需要1500万美元；5nm工艺流片一次4725万美元；3nm工艺流片可能要上亿美元；其中主要成本都花在了“模具”上，芯片只有测试通过后才会开始量产。

2. FPGA生产出来时，并没有确定实现某个固定的功能，用户可以通过重新编程来修改芯片内部的连接逻辑和配置，从而让这个芯片实现你自己想要的功能。

就好像是用乐高积木来搭玩具。上手就能搭，花一点时间，就可以搭好。如果不满意，或者想搭新玩具，可以拆开，重新搭。

总的来说，ASIC就是一个功能已经固定的设备，我们只能根据自己的需要调用它的功能；而FPGA的功能是可以重新设计、编辑的，我们可以根据自己的需要设计功能。

由于上述特点，FPGA非常适合在量产某款芯片之前，验证该款芯片的功能，降低芯片的生产成本，因此被广泛应用于芯片开发领域。

三、FPGA的优势

1. 可编程灵活性高。与ASIC的全定制电路不同，FPGA属于半定制电路。理论上，如果FPGA提供的门电路规模足够大，通过编程可以实现任意ASIC和DSP的逻辑功能。另外，编程可以反复，不像ASIC设计后固化不能修改。所以，FPGA的灵活性也较高。

2. 开发周期短。ASIC制造流程包括逻辑实现、布线处理和流片等多个步骤，而FPGA无需布线、掩模和定制流片等，芯片开发流程简化。传统的ASIC设计周期平均是14个月到24个月，用FPGA进行开发时间可以平均降低55%。全球FPGA第一大厂商Xilinx认为，更快比更便宜重要，产品晚上市六个月5年内将少33%的利润，每晚四周等于损失14%的市场份额。

3. 并行计算效率高。FPGA属于电路直连结构，如同并联电路一样，信号或指令在FPGA内能够在不同功能部件中被并行处理，拥有极高的处理效率，而传统的ASIC是冯·诺依曼结构，数据和指令分开存储，串行计算，一次只能处理一个指令集。

四、FPGA生产厂商

1. Xilinx（赛灵思）：是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商，也是全球FPGA市场份额最大的公司，目前被AMD收购。市场占比最高。提供的主要开发平台：Vivado

2. Altera（阿尔特拉），业界与Xilinx齐名的FPGA供应商，2015年被Intel收购。市场占比排第二。提供的主要开发平台：QuartusII。

3. Lattice（莱迪思），以其低功耗产品著称，Lattice公司是目前唯一一家在中国有研发部的外国FPGA厂商，也为国产FPGA厂商培养了很多人业内优秀的管理人员和技术人员，当年国内企业欲收购Lattice，而被美国以违反国家安全的名义否决了收购计划，使国产FPGA商业化还要走更长的路。

上面三个是全球著名的生产厂商，国内的FPGA生产厂商如下

4、京微齐力、国微电子、711所、复旦微电子、华微电子、紫光同创等。

2021年中国FPGA芯片市场份额
国内FPGA芯片市场份额也在逐年递增

五、FPGA应用领域

1. 通信领域：通信领域是FPGA应用的传统领域，发展至今依然是FPGA应用和研究热点。通信领域需要高速的通信协议处理方式，另一方面通信协议随时都在修改，不适合做成专门的芯片，所以能够灵活改变的功能的FPGA就成了首选。

2. 视频图像处理：FPGA能进行实时流水线运算，能达到最高的实时性。因此在一些对实时性要求非常高的应用领域，做图像处理基本只能用FPGA。

3. 人工智能：深度学习、算法

4. ADAS：先进驾驶辅助系统，综合传感器，可以实现车辆、行人、车道、交通标志以及可行驶区域检测

5. 医疗设备：可以进行医疗图像的分析，帮助医生判断是不是可能有癌症或异常。

6. 数字信号处理：无线通信、软件无线电、高清影像编辑和处理等领域，对信号处理所需要的计算量提出了极高的要求。传统的解决方案一般是采用多片DSP并联构成多处理器系统来满足需求。

7. IC原型验证：FPGA在数字IC领域中是必不可少的，已经被用于验证相对成熟的RTL，因为相比用仿真器，或者加速器等来跑仿真，FPGA的运行速度，更接近真实芯片，可以配合软件开发者来进行底层软件的开发。在纯硬件方面，由于FPGA供应商尽快转向最先进的制造工艺节点，FPGA原型设计变得越来越简单和强大。

六、数字芯片描述语言

FPGA开发采用的是硬件描述语言。

1. VHDL：比较古老，语法严格，学习起来比较难上手。国外或者军工一些领域还在使用。

2. VerilogHDL：语法简单灵活，容易上手，目前企业中常用。

推荐先学习VerilogHDL，VHDL最好也能看懂。