FPGA成為許多新時(shí)代應(yīng)用的首選平臺(tái)

在技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的快速進(jìn)步的推動(dòng)下，全球的處理和帶寬需求不斷增長(zhǎng)。這種增長(zhǎng)要求提高設(shè)計(jì)可定制性、數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)安全性，并限制功耗和占用空間預(yù)算。FPGA 在提供這些功能方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。它們提供了構(gòu)建自定義可編程整體解決方案的選項(xiàng)，使用單個(gè)設(shè)備降低了擁有成本，同時(shí)提供具有補(bǔ)充功能的擴(kuò)展功能。

FPGA 的主要采用者示例包括高速光網(wǎng)絡(luò)，在邊緣具有嵌入式應(yīng)用，例如監(jiān)控、醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)視覺(jué)以及無(wú)人機(jī) （UAV） 監(jiān)控。

概述

本文回顧了FPGA在半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展及其持續(xù)發(fā)展，成為許多現(xiàn)代應(yīng)用的青睞選擇。它討論了 FPGA 架構(gòu)的類型、功能的多樣性，然后概述了市場(chǎng)上可用的選項(xiàng)，使您能夠?qū)?FPGA 用于即將到來(lái)的設(shè)計(jì)。

FPGA的開(kāi)端

FPGA開(kāi)發(fā)于1985年，旨在滿足那些希望在沒(méi)有完全定制設(shè)計(jì)投資需求的情況下設(shè)計(jì)復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)人員。FPGA 行業(yè)從其前身可編程邏輯器件 （PLD） 和可編程只讀存儲(chǔ)器 （PROM） 演變而來(lái)，提供編程靈活性，即使在部署后也能添加/修改功能。

到 1990 年代中期，F(xiàn)PGA 已經(jīng)顛覆并改變了半導(dǎo)體行業(yè)。雖然網(wǎng)絡(luò)和電信是當(dāng)時(shí)最大的受益者，但FPGA因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（包括產(chǎn)品過(guò)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)低、快速原型設(shè)計(jì)和易于調(diào)試）而在各種應(yīng)用市場(chǎng)中廣受歡迎。FPGA現(xiàn)在在電信、消費(fèi)電子、汽車和工業(yè)市場(chǎng)以及更經(jīng)典的軍事、航空航天和國(guó)防領(lǐng)域家喻戶曉。

發(fā)展與進(jìn)步

復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）通常是基于EEPROM的可編程邏輯器件，具有簡(jiǎn)單的架構(gòu)和少量的門數(shù)。它是不需要靈活性和廣泛計(jì)算能力的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的理想選擇。由于其基于EEPROM的結(jié)構(gòu)，它具有在上電時(shí)工作的優(yōu)勢(shì)。但是，對(duì) CPLD 進(jìn)行設(shè)計(jì)修改可能很乏味。FPGA 是一種可重新配置的集成電路 （IC），用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，支持多個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和修訂。它可以實(shí)現(xiàn)像門一樣簡(jiǎn)單或像多核處理系統(tǒng)一樣復(fù)雜的任何東西。市場(chǎng)上的大多數(shù)FPGA都是由易失性RAM制成的，這意味著上電后需要額外的內(nèi)存才能開(kāi)始運(yùn)行。

Microchip的FPGA的獨(dú)特之處在于它們由基于閃存的非易失性存儲(chǔ)器制成。這種即時(shí)啟動(dòng)技術(shù)使其功耗比競(jìng)爭(zhēng) FPGA 低 30% 至 50%。它們還提供抗輻射性和獨(dú)特的安全功能，包括防止過(guò)度構(gòu)建和克隆、全設(shè)計(jì) IP 保護(hù)、根信任、安全的數(shù)據(jù)通信和防篡改功能。

許多人爭(zhēng)論的一個(gè)熱門話題是如何在FPGA和處理器之間進(jìn)行選擇。答案歸結(jié)為您的應(yīng)用程序要求和權(quán)衡限制。雖然處理器相對(duì)易于使用和編程，但它們大多提供順序編程并具有速度限制。另一方面，F(xiàn)PGA可以被視為復(fù)雜的設(shè)備，但提供高速并行計(jì)算環(huán)境，這在現(xiàn)代應(yīng)用中越來(lái)越需要。當(dāng)然，我們現(xiàn)在有辦法將處理器內(nèi)核與FPGA相結(jié)合，以優(yōu)化邊緣計(jì)算、智能視覺(jué)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等當(dāng)前應(yīng)用設(shè)計(jì)的性能和速度。

Microchip的PolarFire?片上系統(tǒng)（SoC）FPGA就是這樣一款器件，它是第一款具有確定性、連貫性RISC-V CPU集群和確定性L2內(nèi)存子系統(tǒng)的SoC FPGA，支持Linux和實(shí)時(shí)應(yīng)用。PolarFire SoC FPGA 非常適合在成像、人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí) （AI/ML）、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化、汽車、航空航天和國(guó)防、有線接入網(wǎng)絡(luò)和蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施等廣泛應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)安全、節(jié)能的計(jì)算。

FPGA 通常被認(rèn)為是復(fù)雜的設(shè)備，對(duì)于沒(méi)有 FPGA 開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)是不可能的。與這種看法相反，開(kāi)始使用FPGA從未如此簡(jiǎn)單。市場(chǎng)上有廣泛的內(nèi)容和材料，面向FPGA初學(xué)者。其中大多數(shù)由領(lǐng)先的FPGA制造商，F(xiàn)PGA分銷商和其他第三方提供。在線學(xué)術(shù)平臺(tái)還提供圍繞FPGA的專業(yè)設(shè)計(jì)課程。此外，對(duì)于沒(méi)有FPGA經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)嵌入式設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，Microchip推出了Hello FPGA套件，這是一種低成本、緊湊、多功能的硬件，可作為熟悉FPGA的簡(jiǎn)單工具。Hello FPGA可用于開(kāi)發(fā)從簡(jiǎn)單控制邏輯到數(shù)據(jù)采集、圖像處理、信號(hào)處理和AI應(yīng)用的應(yīng)用。

如今，F(xiàn)PGA 具有不同的形狀和尺寸，可滿足廣泛的應(yīng)用需求，但在基本層面上，您必須在基于 SRAM 和基于閃存的 FPGA 之間進(jìn)行選擇。該選項(xiàng)再次取決于應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的特定需求和可接受的折衷方案?；陂W存的FPGA確實(shí)具有低功耗、抗輻射性和固有安全特性等額外優(yōu)勢(shì)，使其成為更廣泛應(yīng)用的理想選擇，包括航空航天和國(guó)防等具有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。

如今，幾乎每個(gè)電子設(shè)備都面臨安全威脅。對(duì)于當(dāng)今要求苛刻的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，僅僅滿足其設(shè)計(jì)的功能要求是不夠的，它們必須以安全的方式做到這一點(diǎn)。安全性始于硅制造期間，并持續(xù)到系統(tǒng)部署和操作。FPGA也是如此。具體而言，基于 SRAM 的 FPGA 缺乏為安全嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)建可信且安全的硬件平臺(tái)所需的關(guān)鍵功能，因此容易受到克隆、復(fù)制和逆向工程的影響。敏感的客戶數(shù)據(jù)可能會(huì)暴露，嵌入式系統(tǒng)可能會(huì)受到損害。微型奇IP 將安全性視為重中之重，并通過(guò)確保硬件安全、設(shè)計(jì)安全性和數(shù)據(jù)安全，提供分層方法來(lái)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán) （IP）。

大多數(shù)市場(chǎng)中的應(yīng)用都在不斷發(fā)展，對(duì)功耗和延遲施加了嚴(yán)格的限制，同時(shí)需要高計(jì)算能力。這些不斷變化的需求帶來(lái)的限制為專用計(jì)算硬件帶來(lái)了更多機(jī)會(huì)。FPGA 因其較低的延遲、可配置性和能效而成為許多此類應(yīng)用的首選平臺(tái)。

結(jié)論

Microchip提供了廣泛的中低端密度FPGA產(chǎn)品組合，在低功耗、可靠性和安全性方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位。使用 Microchip FPGA、SoC FPGA 和耐輻射 FPGA 進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以滿足應(yīng)用所需的高帶寬連接和高數(shù)據(jù)吞吐量。無(wú)論您是在設(shè)計(jì)混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車、通信系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)控制、工業(yè)自動(dòng)化、航天器、商用飛機(jī)還是國(guó)防設(shè)備，Microchip 都能滿足您的需求。

審核編輯：郭婷