數(shù)字集成電路有兩種類型:ASIC和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)。專用集成電路(ASIC)有一個預先定義的特定硬件功能，在生產(chǎn)后不能重新編程。但FPGA可以在制造后可無限編程。
FPGA是一種集成電路，一種可編程芯片，它允許工程師對定制的數(shù)字邏輯進行編程，可以根據(jù)程序改變其硬件邏輯。主要目的是允許工程師重新設計和重新配置他們的芯片更快，更便宜，只要他們想要，然而世界上沒有什么理想的，F(xiàn)PGA芯片也有局限性!
FPGA最早出現(xiàn)于20世紀80年代，其最初的應用是允許工程師擁有通用可編程邏輯芯片。然而，這需要大量的編程才能執(zhí)行簡單的功能，所以工程師們盡量避免使用這些功能。但是，雖然在1980年的FPGA是一個簡單的接口設備，主要針對難以用于設計復雜系統(tǒng)的膠水邏輯，但它成為了一個系統(tǒng)級集成電路，具有自己的內(nèi)存塊、微處理器和接口，允許設計重要的系統(tǒng)。
基本特點
1) 采用FPGA設計ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。
2) FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。
3) FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。
4) FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。
6)使工程師能夠精確地構建所需硬件，而不必使用標準集成電路，或花費與ASIC設計相關的時間、成本和風險。
7)與微處理器或微控制器相比，它們以更快、更節(jié)能和更簡單的方式進行操作。
8)FPGA功能可以像任何其他軟件代碼一樣更新，即使硬件已經(jīng)離開了生產(chǎn)點。這可以幫助修復bug或添加新特性。
可以說，F(xiàn)PGA芯片是提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)，因此，工作時需要對片內(nèi)RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復成白片，內(nèi)部邏輯關系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。
CPLD和FPGA
CPLD是復雜可編程邏輯器件，也是一種制造后可重新編程的器件。在這個意義上，它們類似于FPGA。然而，也有顯著的差異。FPGA由多個邏輯單元組成，而CPLD由較少的邏輯單元組成。由于它們的尺寸，CPLD通常更便宜和更快。然而，CPLD的功能非常有限，它們不能用于構建復雜的系統(tǒng)，它們通常用于簡單的設計，如膠合邏輯[1]。
各個廠家叫法不盡相同。PLD(Programmable Logic Device)是可編程邏輯器件的總稱，早期多EEPROM工藝，基于乘積項結構。FPGA最早由Xilinx公司發(fā)明。多為SRAM 工藝,基于查找表(Look Up Table)結構，要外掛配置用的EPROM。Xilinx把SRAM工藝,要外掛配置用的EPROM的PLD叫FPGA,把Flash工藝(類似EEPROM工藝),乘積項結構的PLD叫CPLD;Altera把自己的PLD產(chǎn)品:MAX系列(EEPROM工藝),FLEX/ACEX/APEX系列(SRAM工藝)都叫作CPLD,即復雜PLD(Complex PLD)。
FPGA的應用
目前FPGA的應用有很多。當我們在生產(chǎn)過程中不確定我們的需求，或者需求會隨著時間而改變。FPGA是最快、最便宜的原型制作方法之一，但它并不局限于此。它被用于不同的目的:從靈活的設計和機器學習訓練到快速交易和加密挖掘。服務器應用是FPGA設備最新的案例。
然而，它們也有缺點:
硬件成本
速度要求
FPGA的架構
FPGA由構建塊組成，這些構建塊就像可以用來構建系統(tǒng)的樂高積木。它有一個基本的邏輯構建塊稱為邏輯單元(CLB)，但也可以包含更大的其他塊，如PLL、接口、內(nèi)存等。單個FPGA芯片將擁有數(shù)十萬個邏輯單元。除了CLB，芯片還有輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)。
我們有一個查找表(LUT)作為FPGA邏輯塊的核心。本質(zhì)上就是一個RAM。它把數(shù)據(jù)事先寫入RAM后，每當輸入一個信號就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內(nèi)容，然后輸出。構建塊的輸出是多路復用的。多路復用器的一個輸入是LUT的直接輸出，用于純組合邏輯，如NAND, NOR, XOR或其他邏輯門。多路復用器的另一個輸入是經(jīng)過d型觸發(fā)器并與時鐘同步存儲的LUT的注冊輸出。
一個邏輯單元本身是一個簡單的電路，不能做太多的事情，但當有很多邏輯單元時，我們可以實現(xiàn)任何我們想要的功能。為了做到這一點，邏輯單元被連接到一個陣列的其他邏輯單元。
CLB塊之間的橙色矩形是可編程開關，它可以將邏輯單元的輸出路由到任何地方。這是一個非常簡單的圖表;事實上，比這里顯示的更多的電線和互連線。
注意攜帶和攜帶引腳。每個加法器只有一位寬，而使用進位/進位引腳，可以非常快速和有效地創(chuàng)建大的加法器和計數(shù)器。擁有快速、專用的攜帶鏈是FPGA相對于其他可編程邏輯器件(如CPLD)的最大優(yōu)勢之一。
在FPGA中，時鐘可以實現(xiàn)所有觸發(fā)器，因為沒有時鐘的數(shù)字設計幾乎不可想象。FPGA有非常高級的時鐘資源，包括內(nèi)置的可配置PLL(鎖相環(huán))和DLL(延遲鎖環(huán))。由于幾乎所有的現(xiàn)代數(shù)字設計都需要多個具有不同頻率和相位延遲的時鐘，因此時鐘管理非常重要。
FPGA也有用于讀取和輸出數(shù)據(jù)的輸入輸出塊。除了標準的I/O塊，大多數(shù)FPGA有以下I/O特性:
觸發(fā)器輸出同步I/O
微分信號
雙數(shù)據(jù)速率(DDR)
序列化器和反序列化器(SERDES)
上拉、下拉和三態(tài)I/O
回轉速度可調(diào)，驅(qū)動強度可調(diào)
就像內(nèi)存中內(nèi)置的RAM塊一樣，分布式RAM可以在100Kb和100Mb之間變化。最新一代的FPGA設備也有DSP乘法器片，主要用于DSP應用(數(shù)字信號處理)。大多數(shù)FPGA有其他內(nèi)置塊:
ADC和DAC
外部存儲器控制器，如DRAM, DDR, DDR2。
串行總線控制器
以太網(wǎng)MAC
專用的先進先出[2]
高速收發(fā)器
這些塊在FPGA設備上設計為“硬塊”，而不是在制造過程后由邏輯塊和開關構建，因為它們通常是所有復雜系統(tǒng)都需要的。因為它們存在于所有的系統(tǒng)中，并且使用得非常頻繁，所以我們希望它們能夠存在以節(jié)省時間(總使用clb和開關從頭開始設計它們沒有意義，相反我們將它們設計為單獨的可配置塊，以便設計師能夠更改它們的參數(shù))，但更重要的是，我們希望它們具有非常好的特性，非常高效地工作并占用更少的空間。此外，這些模塊中有一些模擬部件需要手工設計，不能僅通過數(shù)字單元來構建。
如何對FPGA進行編程和配置
為了配置FPGA，我們需要對它進行編程。我們可以使用Verilog、System Verilog和VHDL等FPGA硬件描述語言進行編程。這些語言有一些區(qū)別，這里便不再贅述。使用FPGA定義硬件的工作流程如下:
每個步驟都需要一些工具集。大多數(shù)FPGA制造商都提供了具備所有所需工具的編程環(huán)境。
高手玩家
FPGA市場前景誘人，但是門檻之高在芯片行業(yè)里無出其右。全球有60多家公司先后斥資數(shù)十億美元，前赴后繼地嘗試登頂FPGA高地，其中不乏英特爾、IBM、德州儀器、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星這樣的行業(yè)巨鱷，但是最終登頂成功的只有位于美國硅谷的四家公司：Xilinx(賽靈思)、Altera、Lattice(萊迪思)、Microsemi，其中，Xilinx與Altera這兩家公司共占有近90%的市場份額，專利達到6000余項之多，如此之多的技術專利構成的技術壁壘高不可攀。
Xilinx
Xilinx公司成立于 1984年，Xilinx首創(chuàng)了現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)這一創(chuàng)新性的技術，并于1985年首次推出商業(yè)化產(chǎn)品，是全球領先的可編程邏輯完整解決方案的供應商，也是目前排名第一的FPGA解決方案提供商。
產(chǎn)品系列包括：
Spartan系列：定位于低端市場，目前最新器件為采用28nm工藝的Spartan7;
Artix系列：定位于低端Spartan和高端Kintex之間的中端市場，目前在售的主流產(chǎn)品為采用28nm工藝的Artix-7;
Kintex系列：定位于高端市場，包含有28nm工藝的Kintex7系列，20nm的Kintex7 Ultrascale系列，還有16nm的Kintex7 Ultrascale+系列;
Virtex系列：定位于高端市場，包含有采用28nm工藝的Virtex7系列，20nm的Virtex7 Ultrascale系列，還有16nm的Virtex7 Ultrascale+系列;
全可編程 SoC 和 MPSoC系列：包括有Zynq-7000和Zynq UltraScale+ MPSoC系列FPGA、內(nèi)嵌有ARM Cortex系列CPU;
AI Engine系列：Versal ACAP、Alveo系列等。
Intel(Altera)
與Xilinx齊名的FPGA供應商，2015年被CPU屆的大佬Intel收購。
產(chǎn)品系列包括：
MAXII系列：實質(zhì)上是CPLD;
Cyclone系列：定位于中低端市場，類似于Xilinx 公司的Spartan系列和Artix系列，最新產(chǎn)品為Cyclone10。
Stratix系列：定位于高端市場，與Xilinx的Kintex、Virtex系列競爭，最新產(chǎn)品為Stratix10;
Arria系列：SOC系列FPGA, 內(nèi)置ARM Cotex A9的核;
Intel Arria 10系列：支持DDR4存儲器接口的FPGA，硬件設計人員可以使用Quartus II 軟件v14.1，在Arria 10 FPGA和SoC設計中實現(xiàn)666 Mbps DDR4存儲器數(shù)據(jù)速率;
Agilex系列：面向數(shù)據(jù)中心等高端市場，采用10nm工藝，異構 3D 系統(tǒng)級封裝 (SiP) 技術的一款FPGA產(chǎn)品。
Microchip(Microsemi)
Microsemi并購了Actel，專注于美國軍工和航空領域，產(chǎn)品為反熔絲結構FPGA和基于Flash的FPGA為主，具有抗輻照和可靠性高的優(yōu)勢，Microsemi又被Microchip(微芯)并購。
產(chǎn)品系列包括：
基于FLASH的通用FPGA系列：包括PolarFire Mid-Range FPGAs、RTG4 Radiation-Tolerant FPGAs、IGLOO2 Low-DensityFPGAs三個高、中、低端系列。
Lattice
CPLD的發(fā)明者，著名的可編程邏輯解決方案供應商，僅次于Xilinx和Altera。
產(chǎn)品系列包括：
ECP系列：為Lattice自己的開發(fā)的FPGA系列，提供低成本，高密度的FPGA解決方案，而且還有高速Serdes等接口，適用于民品解決方案居多;
ICE系列：為收購SilioncBlue的超低功耗FPGA，曾用在iPhone7里面，實現(xiàn)了FPGA首次在消費類產(chǎn)品中應用;
Mach系列：替代CPLD，實現(xiàn)粘合邏輯的最佳選擇。
QuickLogic Corp
QuickLogicCorporation 誕生于1988年，是一家超低功耗嵌入式現(xiàn)場可編程門陣列 (eFPGA) IP、多核語音識別 SoC、顯示器橋接和可編程序邏輯解決方案開發(fā)公司。
eFPGA產(chǎn)品系列包括：采用65nm和40nm工藝的ArcticPro系列和采用GF-22工藝的ArcticPro 2 eFPGA。
Achronix
Achronix 作為后起之秀，早期推出了eFPGA IP，但是限于IP產(chǎn)品的變現(xiàn)速度太慢，隨后推出了FPGA芯片，今年5月發(fā)布的新品叫Speedater7t。
EFINIX
EFINIX可以說是后起之秀，它改變了傳統(tǒng)FPGA的設計理念：
eXchangeable Logic and Routing (XLR) cell
我們將邏輯資源比作一個城市。隨著城市的擴大，就必須建立更寬的道路，道路間要建立不少的立交，而且這些立交的層次都可能很復雜，還需要更多的交通燈，以及匝道來匯聚和分開車流。這些實際上和一塊FPGA的結構非常類似，你可以自然聯(lián)想到，芯片規(guī)模越大，就只有兩個辦法來完成邏輯之間的互聯(lián)互通。要不就是把走線的資源增加很多層，要不就是把芯片做到更大的面積來增加布線。甚至兩個方面都要加強。
傳統(tǒng)的FPGA中的運算單元LE(Logic Element)和互連資源Routing Switch在功能上各司其職，而數(shù)量和位置都是固定的。因此，如果你的設計中有很多Logic，那么很可能片上的LE不夠用，而互連資源會有很多富裕;而如果你的設計中需要很多的連線，比如復雜的總線，大量的Mux，那么很可能互連資源成為瓶頸。
Efinix的想法就是設計一種新的Cell，XLR，它既可以作為運算資源，又可以作為互連資源。
國內(nèi)主要玩家
[1] gule logic的中文含意是“膠合邏輯”，它是連接復雜邏輯電路的簡單邏輯電路的統(tǒng)稱。例如，一個ASIC芯片可能包含許多諸如微處理器、存儲器功能塊或者通信功能塊之類的功能單元，這些功能單元之間通過較少的粘合邏輯連接起來。在印制板(PCB)層，粘合邏輯可以使用具有較少邏輯門的“粘合芯片”實現(xiàn)，例如PAL、GAL、CPLD等。
[2] 先進先出(FIFO，first-in，first-out)為處理從隊列或堆棧發(fā)出的程序工作要求的一種方法，它使最早的要求被最先處理。
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