FPGA的工作原理及主要产商

1.FPGA是什么？

FPGA（Field Programmable Gate Array）：现场可编程门阵列，其作为一种半定制芯片，具有现场可编程性，非常灵活，可重复使用的特点，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点，适合要求物理运算逻辑持续更迭的应用，例如人工智能算法优化、数据中心、网络通信等。由于FPGA还可以重新编程，因此计算机用户可以使用FPGA现场可编程门阵列自定义微处理器的功能，以满足特定的个性化需求。

更通俗的理解，FPGA没有出现之前，可以把集成电路可以看做为一幢建好的房子，一旦竣工就不能修改它的主体机构，期间也会浪费很多材料。而FPGA可以类比成建造分房子所需要的零部件或者堆积木的零件，想可以根据你的想法自由组合，如过不满意，可以拆了重新搭建，这个过程就叫做可编程逻辑。

2.FPGA的工作原理

FPGA芯片主要包含以下模块：

1.可配置的逻辑块

现场可编程门阵列的基本构建模块是CLB。它是一个逻辑单元，可以设置或编程以执行特定任务。连接块连接到基本构建基块。其组件包括携带和控制逻辑、晶体管对和查找表（LUT）。以此执行设计所需的逻辑操作。同时，可以使用基于逻辑的多路复用器或LUT来创建CLB。基于LUT逻辑中的模块由D触发器，查找表和2：1多路复用器组成。然后，多路复用器选择正确的输出。

2.可编程互连

位于不同逻辑块中的逻辑单元之间的所有独特连接都存在于现场可编程门阵列的这一区域中。包含多个基本半导体开关的开关盒通常用于实现互连。这些电气可编程链路为这些可编程逻辑模块提供了路径，不同长度的线段可以沿着布线路径找到，并由电气可编程开关连接。FPGA密度由用于布线路径的器件数量决定。FPGA的单元或输入焊盘的输出可以连接到电路中的任何其他单元或焊盘，利用对每个现场可编程门阵列至关重要的可编程互连点。

3.可编程路由

可编程路由至关重要，因为它通常占结构表面的百分之五十以上以及应用程序的关键路由延迟。可编程布线由预制线段和预配置的开关组成。通过配置正确的开关组合，功能块的任何输出都可以链接到任何输入。设计本质上是分层的，高级组件实例化较低级别的模块并链接其中的信号，从而为可编程门阵列提供了动力。可编程门阵列可以使用连接芯片离散部分的短线来构建这些连接，因为在设计层次结构中靠近在一起的模块之间更频繁地进行通信。FPGA的密度和性能受到路由设计的影响。

4.可编程I/O模块

接口引脚用于将逻辑模块与外部组件连接起来。现场可编程门阵列和外部电路之间的接口是IOB（输入输出模块），这是一种可编程输入和输出器件，用于满足各种电气特性下输入/输出信号的驱动和匹配需求。I/O块将路由体系结构和CLB连接到外部元素。在封装引脚和器件的底层电路之间，输入/输出模块提供可编程的单向或双向连接。实现应用需要从头开始构建电路，因为以前的现场可编程门阵列缺乏运行任何软件的处理器。因此，FPGA可能被编程为像OR门一样简单，或者像多核处理器一样复杂。

5.片上存储器

集成在FPGA逻辑块中的FFS是FPGA系统中片上存储元件的一种形式。目前，随着现场可编程门阵列逻辑容量的提高，其被用于更广泛的系统中，这些系统几乎总是需要存储器来缓冲和重用芯片上的数据。构建由寄存器和LUT组成的大型RAM的密度比SRAM块低100倍左右，因此还需要具有更密集的片上存储。此外，在现场可编程门阵列上实现的应用程序的RAM要求差异大不相同。

6.数字信号处理（DSP）模块

在运输链之前，商业现场可编程门阵列系统中使用的专用算术电路是加法器。由于需要在利用LUT和携带链的软逻辑中加入乘法器，因此产生了严重的面积和延迟损失。且用于现场可编程门阵列的高乘法器密度信号处理和通信应用具有相当大的市场份额，设计人员开发了新颖的实现来解决软逻辑乘法器实现效率低下的问题，这称为数字信号处理或DSP。

无乘法分布式算术技术是使用基于LUT的现场可编程门阵列创建高效有限脉冲响应（FIR）滤波器设计的一种方法。乘法器是FPGA系统中作为专用电路进行强化的主要候选者，因为它们在关键应用领域的现场可编程门阵列设计中普遍存在，并且在软逻辑中实现时尺寸、延迟和功耗的降低。

7.系统级互连

DDR内存和以太网的兴起只是FPGA容量和带宽稳步增长的几个原因。管理这些高频端口和不断增长的结构之间的数据流量是一项挑战。这种系统级链路过去是通过设置特定的FPGA逻辑和路由元件来形成软总线来建立的，总线在必要的端点之间完成流水线多路复用和布线。更宽总线是匹配这些外部接口带宽的唯一方法，因为它们以比现场可编程门阵列结构更高的频率运行。由于大量和物理上很长的总线的组合，定时闭合具有挑战性，并且通常需要对总线进行相当大的流水线处理，从而增加了资源消耗。

3.FPGA 的主要厂商

目前，国内FPGA两大主要厂商是AMD（xilinx）和 Intel（altera）的FPGA。

3.1 AMD（xilinx）

Xilinx是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商，2022年被AMD以350亿美元全股份交易的方式收购Xilinx。

其开发工具：Vivado和ISE。ISE是老开发软件，目前基本上已经被vivado取代，只有xilinx公司的一些十几年前生产的FPGA才使用ISE开发，新的FPGA都支持更好用的vivado。其第六代及以前的产品的开发工具为ISE ，从第七代产品开始，已全部转移到vivado平台。

其FPGA主要产品包括：

1、Spartan系列：定位于低端市场，目前最新器件为Spartan7，为28nm工艺，Spartan6以前都是45nm工艺，该系列器件价格实惠，逻辑规模相对较小。

2、Artix系列：Xilinx推出Artix系列FPGA产品，其目的应该是作为低端Spartan和中高端Kintex系列FPGA的过渡产品，尤其在通信接口方面，Artix系列相比Spartan有很大优势。所以，如果设计不是仅仅需要逻辑资源，而是需要先进的高速接口，不妨考虑Artix系列。

3、Kintex和Virtex系列为Xilinx的中、高端产品，包含有28nm的Kintex7和Virtex7系列，20nm的Kintex7 Ultrascale和Virtex7 Ultrascale系列，还有16nm的Kintex7 Ultrascale+ 和Virtex7 Ultrascale+系列。其拥有丰富的高速接口，主要用于通信，雷达，信号处理，IC验证等高端领域。

4、全可编程SoC和MPSoC系列，包括有Zynq-7000和Zynq UltraScale+ MPSoC系列FPGA，内嵌有ARM Cortex系列CPU内核。

3.2 Intel（altera）

altera：是与Xilinx齐名的FPGA供应商。2015年被CPU芯片界的巨头Intel以167亿美元收购，因此现在也称为Intel的FPGA。

开发工具：QuartusII。

其主要产品包括：

1、MAXII系列：MAXII 系列为CPLD, Altera以其CPLD闻名。

2、Cyclone系列：最新为Cyclone10，性价比高，类似于xilinx 公司的Spartan系列和Artix系列。

3、Stratix系列：最新为Stratix10，为高端应用，与Xilinx的Kintex、Virtex系列竞争。

4、Arria系列：SOC系列FPGA, 内置ARM Cotex A9的核。

5、Intel的新产品arria 10 fpga系列：支持DDR4存储器接口的FPGA。硬件设计人员现在可以使用最新的Quartus II软件v14.1，在Arria10 FPGA和SoC设计中实现DDR4数据读写

此外，Lattice、Actel、Atmel等公司也有FPGA产品，由于市场份额小，市面上很少见到，此处不再介绍。相较于国际大厂，中国本土FPGA厂商整体实力较弱，厂商在技术水平、软件易用性、市占率等方面都与国际大厂存在一定差距，主要以偏低端的CPLD和小规模FPGA器件为主。代表企业包括复旦微电子、紫光同创（紫光国微持股）、安路科技和高云半导体、西安智多晶、京微齐力、上海遨格芯和成都华微科技。

4.FPGA产品最新进展

4.1 Intel产品

2022年11月14日，英特尔®FPGA中国技术周线上开幕，其最新推出的基于Intel 7制程工艺的Agilex D系列和Sundance Mesa系列的FPGA的相关产品路线图，可用于数据中心的5G、AI场景，相比于上代Stratix 10可以将性能提高45％，功耗则降低40％。相关产品路线图如下：

• 英特尔® Agilex™ D系列FPGA：采用 Intel 7 制程工艺，能够将其性能扩展至中端 FPGA 应用中，且在拥有高性能的同时，可提供相较于目前Agilex F/I/M 系列更小的外形规格及更低的功率与密度。预计于2023 年上半年英特尔® Quartus® Prime Software开始支持该产品，2023 年下半年上市，2024 年上半年投产。
• 全新英特尔® Agilex™ FPGA（代号Sundance Mesa）：采用Intel 7 制程工艺，旨在为边缘、嵌入式等应用场景提供高能效的性能。与英特尔Agilex™ D系列FPGA相比，Sundance Mesa凭借更低功耗、更小外形规格和逻辑密度的优势，拥有更广阔的应用市场。预计于2023 年上半年英特尔Quartus Prime Software开始支持该产品，2023 年下半年上市，2024 年上半年投产。
• 支持CXL和PCIe 5.0的英特尔Agilex™ FPGA：基于Intel 7制程工艺和芯粒设计，其不仅能够支持Compute Express Link（CXL）和PCIe 5.0，亦提供了高带宽，从而为要求极为苛刻的处理器工作负载提供更大的加速。目前，该产品的首批设备正在出货给早期客户。
• 英特尔 Tofino扩展架构：基于Intel 7制程工艺和P4可编程性，其不仅能够实现更大的性能优化灵活性，亦能够在开放标准的情况下达到较低TCO（总体拥有成本）

4.2 AMD产品

AMD基于产业在 2022 年及今后普遍面临供应链挑战，很多细分市场，例如汽车电子、工业应用、数据中心等客户需要更长的产品寿命（通常要求 15 年的生命周期），许多产品还需支持更长的生命周期。AMD -赛灵思正式宣布对所有 7 系列 FPGA 和自适应 SoC 的支持将至少延长至 2035 年。包括等Spartan-7、Artix-7、 Zynq-7000 SoC 、Kintex-7、Virtex-7系列产品。

• Spartan-7系列是7系列中的入门芯片。拥有最低的价格、最低的功耗、最小的尺寸以及最低的设计难度，一些低端应用中极为合适。能以小型封装提供高单位功耗性能
• Artix-7系列是7系列中的中端系列芯片，相对Spartan7系列增加了串行收发器和DSP功能，其逻辑容量也更大，适合逻辑一些稍微复杂的中低端应用。能以低功耗提供高收发器带宽。
• Zynq-7000 SoC 将基于 Arm 处理器的软件可编程性与 FPGA 的硬件可编程性相结合。
• Kintex-7系列是7系列中的中高端系列，是在所有系列中拥有最佳的性价比，无论是内核数量还是逻辑容量，都能满足全部中低端、以及部分芯片高端应用需求。
• Virtex-7系列是7系列中的旗舰高端系列，价格高昂，只在高端应用中使用，在中低端应用显得大材小用。