FPGA的基本歷史、基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域

本系列文章主要介紹 FPGA 的基本歷史、基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域及其最新進(jìn)展，從FPGA與 ASIC、CPLD的區(qū)別，Altera與Xilinx的區(qū)別，Verilog與VHDL等方面對(duì)FPGA 進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，使初學(xué)者對(duì) FPGA 能夠有基本的了解。

1. FPGA

FPGA 是在 PAL、GAL、CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。它是當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件平臺(tái)，主要特點(diǎn)是完全由用戶(hù)通過(guò)軟件進(jìn)行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可反復(fù)擦寫(xiě)。在修改和升級(jí)時(shí)，不需要額外改變 PCB 電路板，只是在計(jì)算機(jī)上修改和更新程序，使硬件設(shè)計(jì)工作成為軟件開(kāi)發(fā)工作，縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)的周期，提高實(shí)現(xiàn)的靈活性并降低成本。

FPGA 的特點(diǎn)：加電時(shí)，F(xiàn)PGA 芯片將 EPROM 中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM 中，配置完成后，F(xiàn)PGA 進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA 能夠反復(fù)使用。

理論上，F(xiàn)PGA 允許無(wú)限次的編程。

FPGA 的編程無(wú)須專(zhuān)用的 FPGA 編程器，只需用通用的 EPROM、PROM 編程器即可。FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I／O 引腳，能夠快速成品，不需要用戶(hù)介入芯片的布局布線和工藝問(wèn)題，而且可以隨時(shí)改變邏輯功能，使用靈活。

2. ASIC

ASIC 是應(yīng)特定用戶(hù)要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。用一句話(huà)總結(jié)就是市場(chǎng)上買(mǎi)不到的芯片。蘋(píng)果的 A 系列處理器就是典型的 ASIC。

ASIC 是定制的，具體分為全定制和半定制。

ASIC 的特點(diǎn)：面向特定用戶(hù)的需求，量身定制，執(zhí)行速度較快。ASIC 在批量生產(chǎn)時(shí)與通用集成電路相比具有體積小、功耗低、可靠性高、性能高、保密性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。ASIC 需要較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期，風(fēng)險(xiǎn)較大，一旦有問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致成片全部作廢，所以小公司已經(jīng)玩不起了。

近年來(lái)人工智能受到的關(guān)注越來(lái)越多，許多公司正在積極開(kāi)發(fā)能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端人工智能的硬件，尤其是能夠結(jié)合未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。移動(dòng)端人工智能的實(shí)現(xiàn)方法有兩大流派：FPGA 流派和 ASIC流派。FPGA 流派的代表有 Xilinx 主推的 Zynq 平臺(tái)，而 ASIC 流派的代表有 Movidius。下面來(lái)分析 FPGA 與 ASIC 的具體區(qū)別在哪里。

3. FPGA 和 ASIC 的區(qū)別

（1）設(shè)計(jì)流程

FPGA：完整的 FPGA 設(shè)計(jì)流程包括功能描述、電路設(shè)計(jì)與輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實(shí)現(xiàn)與布局布線、時(shí)序仿真、板級(jí)仿真與驗(yàn)證、調(diào)試與加載配置。

ASIC：ASIC 的設(shè)計(jì)流程（數(shù)字芯片）包括功能描述、模塊劃分、模塊編碼輸入、模塊級(jí)仿真驗(yàn)證、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)仿真驗(yàn)證、綜合、STA（靜態(tài)時(shí)序分析）、形式驗(yàn)證。

從設(shè)計(jì)成本來(lái)考慮：小批量時(shí)，F(xiàn)PGA 占優(yōu)；大批量時(shí)，ASIC 占優(yōu)。

FPGA 本身就是一個(gè)芯片，只是我們可以通過(guò)編程的方式修改內(nèi)部邏輯連接和配置實(shí)現(xiàn)自己想要的功能。實(shí)現(xiàn) ASIC 就如從一張白紙開(kāi)始，必須得有代碼，之后綜合，然后布局、布線，最后得到 GDSII（一種時(shí)序提供格式）后去流片。

（2）速度

相同的工藝和設(shè)計(jì)，在 FPGA 上的速度應(yīng)該比 ASIC 慢。因?yàn)?FPGA 內(nèi)部基于通用的結(jié)構(gòu)，也就是 LUT（Look Up Table），可以實(shí)現(xiàn)加法器、組合邏輯等。而 ASIC，一般加法器就是加法器，比較器就是比較器，F(xiàn)PGA 結(jié)構(gòu)上的通用性必然導(dǎo)致冗余。另外，F(xiàn)PGA 的基本單元是 LUT（LUT 組成 Slice，Slice 組成 CLB，這是 Xilinx 的結(jié)構(gòu)），為此，大的設(shè)計(jì)假如一個(gè) LUT 實(shí)現(xiàn)不了，就得用兩個(gè) LUT，一個(gè) Slice 實(shí)現(xiàn)不了，就要用 CLB，不同結(jié)構(gòu)處于特定的位置，信號(hào)之間的互聯(lián)導(dǎo)致的 wire delay 是不可忽略的一部分。而對(duì)于 ASIC 來(lái)說(shuō)沒(méi)有結(jié)構(gòu)上的限制，而且對(duì)于特定的線路布局來(lái)說(shuō)可以在空間上靠得很近，相對(duì)來(lái)說(shuō) wire delay 和 cell delay 都應(yīng)該比FPGA 小。當(dāng)然，LUT 中也有 DFF，作為高速的設(shè)計(jì)，一般都會(huì)在一個(gè)簡(jiǎn)單的組合邏輯操作之 后打一拍，再做下一步的處理。

（3）體積

如果結(jié)構(gòu)完全相同，那么 FPGA 會(huì)被 ASIC 遠(yuǎn)遠(yuǎn)踢飛。FPGA 要規(guī)模大得多才能實(shí)現(xiàn) ASIC相同的功能，主頻還只有幾分之一。

（4）功耗

在相同工藝條件下，F(xiàn)PGA 的功耗要大于 ASIC。尤其是基于占用大量硅面積的、每個(gè)單元6 個(gè)晶體管的靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）的查尋表（LUT）和配置元件技術(shù)的 FPGA，其功耗要比對(duì)等的 ASIC 大得多。

（5）成本

FPGA 貴在單片，開(kāi)發(fā)工具費(fèi)用和硬件損耗風(fēng)險(xiǎn)基本不存在。ASIC 貴在流片的費(fèi)用和開(kāi)發(fā)工具。NRE（Non-Recurring Engineering，一次性工程）費(fèi)用隨著工藝的提高變得相當(dāng)貴，除非芯片一次成功后即可量產(chǎn)，否則單片費(fèi)用將奇貴無(wú)比！

（6）其他方面

ASIC 用于大型項(xiàng)目，而對(duì)于需要快速投放市場(chǎng)且支持遠(yuǎn)程升級(jí)的小型項(xiàng)目，F(xiàn)PGA 則更為適合。FPGA 技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)仍是產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間較短。

ASIC 的優(yōu)勢(shì)在于加電后可立即運(yùn)行，就單位邏輯大小而言，封裝選擇更多，還可以包括某些模擬邏輯。與此相對(duì)比，F(xiàn)PGA 加載配置進(jìn)入存儲(chǔ)器需要時(shí)間，因此不能立即工作。此外，F(xiàn)PGA的封裝也較復(fù)雜。

FPGA 內(nèi)部還包括接口 I/O。I/O 分為普通 I/O 和高速 I/O。高速 I/O 支持高速的 SERDES 等，用于實(shí)現(xiàn) XAUI、PCI-e 等高速接口，這些接口動(dòng)輒幾 Gbps。此外，種類(lèi)多種多樣的硬核 IP 也是各 FPGA 廠商差異化競(jìng)爭(zhēng)的利器，例如 POWERPC、ARM 等硬核 IP，從而構(gòu)成 CPU+FPGA于一體的集可編程性和可重構(gòu)的處理平臺(tái)。

（7）兩者的定位

FPGA 和 ASIC 產(chǎn)品的使用要根據(jù)產(chǎn)品的定位和設(shè)計(jì)需要來(lái)選擇。ASIC 產(chǎn)品適用于設(shè)計(jì)規(guī)模特別大（如 CPU、DSP 或多層交換芯片等）或者應(yīng)用于技術(shù)非常成熟且利潤(rùn)率非常低的產(chǎn)品（如家用電器和其他消費(fèi)類(lèi)電器）以及大量應(yīng)用的通用器件（如 RAM、PHY 等）。FPGA 產(chǎn)品適用于設(shè)計(jì)規(guī)模適中、產(chǎn)品要求快速占領(lǐng)市場(chǎng)或產(chǎn)品需要靈活變動(dòng)的特性設(shè)計(jì)等方面的產(chǎn)品，如 PDH、2.5GB 以下的 SDH 設(shè)備和大部分的接口轉(zhuǎn)換芯片等。當(dāng)然，具體選擇哪種產(chǎn)品來(lái)設(shè)計(jì)還要設(shè)計(jì)者充分考慮自己的產(chǎn)品定位來(lái)決定。

（8）兩者在互相融合

最明顯的莫過(guò)于處理器中開(kāi)始集成 FPGA，而可編程的 ASIC 也開(kāi)始興起。隨著 SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片或系統(tǒng)）成為主流，兩者的邊界也就不那么明顯了。

4、總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，就如同 GPU和 CPU 一樣：GPU 可以非?？焖俚靥幚韴D像，但是要處理其他的東西，GPU 則有些困難。CPU 能處理很多的運(yùn)算，也能處理圖像，只是慢而已。一旦你是沖著某個(gè)目的去的（ASIC），最快速的實(shí)現(xiàn)方式就可以。如果想要多方面兼顧（FPGA），就不可能在每一個(gè)方面都做到最好。在使用時(shí)，你必須權(quán)衡利弊。

審核編輯 ：李倩