FPGA成为许多新时代应用的首选平台

在技术和基础设施的快速进步的推动下，全球的处理和带宽需求不断增长。这种增长要求提高设计可定制性、数据和设计安全性，并限制功耗和占用空间预算。FPGA 在提供这些功能方面发挥着越来越重要的作用。它们提供了构建自定义可编程整体解决方案的选项，使用单个设备降低了拥有成本，同时提供具有补充功能的扩展功能。

FPGA 的主要采用者示例包括高速光网络，在边缘具有嵌入式应用，例如监控、医学成像和工业视觉以及无人机 （UAV） 监控。

概述

本文回顾了FPGA在半导体行业的发展及其持续发展，成为许多现代应用的青睐选择。它讨论了 FPGA 架构的类型、功能的多样性，然后概述了市场上可用的选项，使您能够将 FPGA 用于即将到来的设计。

FPGA的开端

FPGA开发于1985年，旨在满足那些希望在没有完全定制设计投资需求的情况下设计复杂电路的设计人员。FPGA 行业从其前身可编程逻辑器件 （PLD） 和可编程只读存储器 （PROM） 演变而来，提供编程灵活性，即使在部署后也能添加/修改功能。

到 1990 年代中期，FPGA 已经颠覆并改变了半导体行业。虽然网络和电信是当时最大的受益者，但FPGA因其独特的优势（包括产品过时风险低、快速原型设计和易于调试）而在各种应用市场中广受欢迎。FPGA现在在电信、消费电子、汽车和工业市场以及更经典的军事、航空航天和国防领域家喻户晓。

发展与进步

复杂可编程逻辑器件（CPLD）通常是基于EEPROM的可编程逻辑器件，具有简单的架构和少量的门数。它是不需要灵活性和广泛计算能力的简单设计的理想选择。由于其基于EEPROM的结构，它具有在上电时工作的优势。但是，对 CPLD 进行设计修改可能很乏味。FPGA 是一种可重新配置的集成电路 （IC），用于实现复杂的逻辑功能，支持多个系统实现和修订。它可以实现像门一样简单或像多核处理系统一样复杂的任何东西。市场上的大多数FPGA都是由易失性RAM制成的，这意味着上电后需要额外的内存才能开始运行。

Microchip的FPGA的独特之处在于它们由基于闪存的非易失性存储器制成。这种即时启动技术使其功耗比竞争 FPGA 低 30% 至 50%。它们还提供抗辐射性和独特的安全功能，包括防止过度构建和克隆、全设计 IP 保护、根信任、安全的数据通信和防篡改功能。

许多人争论的一个热门话题是如何在FPGA和处理器之间进行选择。答案归结为您的应用程序要求和权衡限制。虽然处理器相对易于使用和编程，但它们大多提供顺序编程并具有速度限制。另一方面，FPGA可以被视为复杂的设备，但提供高速并行计算环境，这在现代应用中越来越需要。当然，我们现在有办法将处理器内核与FPGA相结合，以优化边缘计算、智能视觉和物联网（IoT）等当前应用设计的性能和速度。

Microchip的PolarFire®片上系统（SoC）FPGA就是这样一款器件，它是第一款具有确定性、连贯性RISC-V CPU集群和确定性L2内存子系统的SoC FPGA，支持Linux和实时应用。PolarFire SoC FPGA 非常适合在成像、人工智能/机器学习 （AI/ML）、物联网、工业自动化、汽车、航空航天和国防、有线接入网络和蜂窝基础设施等广泛应用中实现安全、节能的计算。

FPGA 通常被认为是复杂的设备，对于没有 FPGA 开发经验的人来说是不可能的。与这种看法相反，开始使用FPGA从未如此简单。市场上有广泛的内容和材料，面向FPGA初学者。其中大多数由领先的FPGA制造商，FPGA分销商和其他第三方提供。在线学术平台还提供围绕FPGA的专业设计课程。此外，对于没有FPGA经验的专业嵌入式设计人员来说，Microchip推出了Hello FPGA套件，这是一种低成本、紧凑、多功能的硬件，可作为熟悉FPGA的简单工具。Hello FPGA可用于开发从简单控制逻辑到数据采集、图像处理、信号处理和AI应用的应用。

如今，FPGA 具有不同的形状和尺寸，可满足广泛的应用需求，但在基本层面上，您必须在基于 SRAM 和基于闪存的 FPGA 之间进行选择。该选项再次取决于应用程序设计的特定需求和可接受的折衷方案。基于闪存的FPGA确实具有低功耗、抗辐射性和固有安全特性等额外优势，使其成为更广泛应用的理想选择，包括航空航天和国防等具有严格要求的应用。

如今，几乎每个电子设备都面临安全威胁。对于当今要求苛刻的应用来说，仅仅满足其设计的功能要求是不够的，它们必须以安全的方式做到这一点。安全性始于硅制造期间，并持续到系统部署和操作。FPGA也是如此。具体而言，基于 SRAM 的 FPGA 缺乏为安全嵌入式系统创建可信且安全的硬件平台所需的关键功能，因此容易受到克隆、复制和逆向工程的影响。敏感的客户数据可能会暴露，嵌入式系统可能会受到损害。微型奇IP 将安全性视为重中之重，并通过确保硬件安全、设计安全性和数据安全，提供分层方法来保护知识产权 （IP）。

大多数市场中的应用都在不断发展，对功耗和延迟施加了严格的限制，同时需要高计算能力。这些不断变化的需求带来的限制为专用计算硬件带来了更多机会。FPGA 因其较低的延迟、可配置性和能效而成为许多此类应用的首选平台。

结论

Microchip提供了广泛的中低端密度FPGA产品组合，在低功耗、可靠性和安全性方面处于行业领先地位。使用 Microchip FPGA、SoC FPGA 和耐辐射 FPGA 进行设计，可以满足应用所需的高带宽连接和高数据吞吐量。无论您是在设计混合动力和电动汽车、通信系统、物联网基础设施、工业控制、工业自动化、航天器、商用飞机还是国防设备，Microchip 都能满足您的需求。

审核编辑：郭婷