FPGA是什么意思

FPGA，现场可编程门阵列(Field Programmable Logic Device)，可编程逻辑器件的一种。它可以由用户来进行编程和配置，进而用来解决各种不同的逻辑设计问题。

可编程器件发展的初期主要是用来解决存储问题，随着后来的发展转向各种逻辑应用。在结构、工艺、集成度、功耗、速度等方面有了很大的提高和改进。

可编程逻辑器件的发展阶段

我们一起来了解一下可编程逻辑器件的发展历史。

可编程逻辑器件的发展主要经历以下几个阶段：

早期的可编程逻辑器件，早期的PLD主要是用来解决各种存储问题，如可编程只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除存储器（EPROM）、电可擦除存储器（EEPROM），由于结构限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。

结构上稍微复杂的可编程逻辑器件，80年代初期，AMD公司和Lattice公司先后推出了各自的可编程逻辑器件，主要为可编程逻辑器件（PAL）、通用阵列逻辑（GAL）、可编程逻辑器件（PLA）等等，这些PLD在设计上有很强的灵活性，可以实现速度性能较好的逻辑功能，但它们结构简单，只能实现小规模的电路设计。

复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD)和现场可编程门阵列(Field Programmable Logic Device)，这类器件的体系结构和逻辑单元灵活、集成度高、适用范围广。这类器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，具备实现大规模电路设计的能力，编程也灵活，开发周期短、设计成本低、开发工具成熟、质量可靠，因此被大规模使用。

FPGA芯片内部结构

目前大部分的FPGA仍是基于查找表（LUT）技术，但是随着版本的升级，代与代之间的基本功能差别很大，在现在的FPGA内部，整合了很多常用功能（如RAM、时钟管理 和DSP）的硬核（ASIC型）功能模块。

图一 FPGA芯片的内部结构

图一给出一个通用的内部结构模型，实际上不同系列的FPGA，内部的结构都不尽相同。但是从上图我们可以看出，FPGA芯片的主要部分由6大模块，分别为：可编程输入输出单元（IOB）、基本可编程逻辑单元（CLB）、数字时钟管理（DCM）、嵌入块式RAM（BRAM）、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。

目前FPGA具备的功能

经过这么多年的发展，目前的FPGA已经具备了以下的功能：

支持模数转换和数模转换；

采用片内锁相环，支持高速时钟，减少信号的畸变，时钟可以复用；

有丰富的布线资源；

在片内有分布RAM和块RAM；

包含独立的快速逻辑进位模块，有专门的乘法器；

逻辑功能块的局部布线和相互间的通用布线，可以精确的预测网线的延时；

I/O模块有快速的I/O驱动、寄存的输入输出、三态使能控制等控制特性。

FPGA的发展方向

随着微电子技术的快速发展，速度更快、集成度更高的FPGA在不断出现，结构和工艺的提高，使FPGA的资源越来越丰富，可实现的功能越来越强大。

所以FPGA有如下的发展趋势：

向更高密度、更大容量迈进；

朝着低成本、低电压、低功耗、微封装方向发展；

IP资源复用得到普遍的认同并成为主要的设计方式；

MCU、DSP、MPU等嵌入式处理器IP成为FPGA应用的核心。

FPGA在神经网络方面的应用

近两年，随着AI、神经网络技术等产业的迅猛发展，对计算力的要求越来越高，因为FPGA具有资源丰富、配置灵活以及DSP、MCU等IP集成到一起的巨大优势，所以基于FPGA的NN加速器的研究和产业化，十分火热。比如微软的Bing搜素业务等就使用了基于FPGA的NN加速器。

但是FPGA价格较贵，所带来成本上的压力，在一定上面，可能会抑制它的更大规模的使用。

小结

FPGA作为可以让用户来进行编程和配置，进而用来解决各种不同的逻辑设计问题的器件，在各种新型技术兴起的前期（之前的大数据、如今的神经网络），都表现出了非常好的活力，它降低了新兴技术研究的成本，加快了新兴技术研究的速度，在整个技术演进道路上，扮演着举足轻重的角色。

关于FPGA相关内容，我写了《浅谈FPGA技术》、《浅谈FPGA芯片结构》等多篇文章，详细介绍了FPGA的工作模式、硬件架构等内容，如果有兴趣，欢迎加关注“单眼皮老王”，阅读相关文章，更欢迎和我讨论。

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