FPGA的优势及潜在局限性介绍

引言：FPGA（Field Programmable Gate Array）作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，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数有限的缺点。然而我们在进行产品开发时，需要考虑产品材料成本、开发难易程度、上市时间、功耗、可扩展性（或升级换代）等众多因素时，FPGA可能并非最优“六边形战士”。本文我们就FPGA的优势及潜在局限性进行介绍，以给于项目技术决策中参考。

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FPGA技术优势

了解FPGA器件何时适合实现所需的系统功能是理解FPGA技术的关键要素。设计团队明白FPGA技术并不适用于每一个设计或应用程序。能够识别FPGA技术何时适合项目是一项关键的设计技能。如果产品在生命周期中可能发生重大功能变化，此时设计者将从FPGA技术中实现最大受益。在评估项目是否采用FPGA技术时，应考虑以下设计特征：

1）设计稳定性：设计在其使用寿命内是否可能经历需要设计更新？需求是否足够稳定，可以选择合适的FPGA家族和器件？

2）上市时间：是否有一个非常小的机会窗口盈利释放到市场？是否要求在尽可能短的时间内演示产品功能？替代实施方案的时间表如何？ 3）性能：是否可以使用FPGA技术实现所需的功能性能？所需的功能能否在当前可用的FPGA器件中实现？ 4）物理限制：设计是否需要尽可能低的功耗？设计是否需要占用尽可能小的PCB电路板面积？该项目是否存在生产限制？ 5）成本：是否有专门的分立组件可以以较低的成本实现所需的功能？包括工具、培训和NRE在内的替代方案的成本是多少？通过开发可重复使用的设计元素，开发成本是否可以分散到几个项目中？是否可以利用预先实现的参考设计或IP设计？

6）可用性：具有所需性能/尺寸的组件能否及时用于批量生产？是否有实现所需功能的固定功能组件可用？在产品及其衍生品开发时，固定功能实现是否可重复使用？

对于需要快速推向市场的设计，可以从FPGA技术中受益。随着FPGA设计流程的加快，基于FPGA电路板可以与FPGA软件功功能同步进行，这有着显著的时间表优势。如果FPGA是可重新编程的，则设计可以在交付给客户后远程更新。

对于没有完全定义的需求或功能的设计页非常适合FPGA，因为它们几乎可以在设计生命周期的任何阶段适应功能变化。在交付给客户之前，基于FPGA的设计可能会经历重大的功能实现更改和更新。通过正确的设计实施，即使在产品交付给客户之后，也可以进行设计更改。如果预期当前或未来的设计实现具有增强或修改，则FPGA技术更加适合应用。以下快速摘要提供了FPGA潜在优势的列表。

表1：FPGA技术应用优势表

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FPGA技术潜在的限制

如前所述，FPGA给设计带来的最大优势是灵活性，即在产品生命周期的任何阶段支持更改的能力。与能够利用FPGA灵活性的设计相比，具有明确定义、固定功能的设计将受益更少。如果在项目生命周期内进行设计更改的需求非常有限，那么FPGA很可能不是该应用程序的最佳选择。以下列表包含一些潜在的限制。 表2：FPGA技术应用潜在限制表

在某些特定应用中，FPGA技术可能不合适。具有坚实、完整需求和稳定、固定或成熟功能的项目不太可能非常适合FPGA技术，因为这些设计无法从FPGA技术固有的灵活性中获得太多好处。

图2：聚焦FPGA应用差异

FPGA可能不合适的另一个领域是具有“最佳”或“最低”要求的项目。具有“最低功率”、“最低分立固定功能组件价格”或“最高时钟速度”等要求的项目可能不是FPGA技术的理想应用。然而，一些具有极端要求的项目可能仍然能够在FPGA内实现，并创造性地应用FPGA的优势。

图3：分立器件实现5G收发链路功耗估计

一个示例设计就是一个具有高性能信号处理要求的项目。虽然FPGA组件可能不会在所有技术中表现出最快的时钟速率，但某些数据处理算法可以通过并行架构有效地实现。使用FPGA和适当的资源，可以在单个部件内以较低的成本实现所需的信号处理功能，具有优越的性能和较低的功耗。

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结论

基于以上描述，一旦项目设计团队完成了权衡研究，并确定FPGA技术适合他们的设计，早期项目决策阶段就开始了。对于FPGA技术非常适合的项目，悬而未决的问题变成了如何最有效地实现设计。设计团队必须根据项目要求、以往经验和可用资源，选择最好的FPGA制造商、器件系列、封装和部件，后续文章我会详细介绍相关内容。

审核编辑：黄飞