什么是FPGA？

什么是可編程邏輯？
在數(shù)字電子系統(tǒng)領(lǐng)域，存在三種基本的器件類型：存儲(chǔ)器、微處理器和邏輯器件。存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)隨機(jī)信息，如數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容。微處理器執(zhí)行軟件指令來(lái)完成范圍廣泛的任務(wù)，如運(yùn)行字處理程序或視頻游戲。邏輯器件提供特定的功能，包括器件與器件間的接口、數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示、定時(shí)和控制操作、以及系統(tǒng)運(yùn)行所需要的所有其它功能。 
固定邏輯與可編程邏輯
邏輯器件可分為兩大類 – 固定邏輯器件和可編程邏輯器件。正如其命名一樣，固定邏輯器件中的電路是永久性的，它們完成一種或一組功能 —— 一旦制造完成，就無(wú)法改變。另一方面，可編程邏輯器件（PLD）是能夠?yàn)榭蛻籼峁┓秶鷱V泛的多種邏輯容量、特性、速度和電壓參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)成品部件 —— 而且此類器件可在任何時(shí)間改變，從而完成許多種不同的功能。 
對(duì)于固定邏輯器件，根據(jù)器件復(fù)雜性不同，從設(shè)計(jì)、原型到最終生產(chǎn)所需要的時(shí)間可從數(shù)月至一年多不等。而且，如果器件工作不合適，或者如果應(yīng)用要求發(fā)生了變化，那么就必須開發(fā)全新的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)和驗(yàn)證固定邏輯的前期工作需要大量的NRE成本。NRE代表在固定邏輯器件最終從芯片制造廠制造出來(lái)以前客戶需要投入的所有成本，這些成本包括工程資源、昂貴的軟件設(shè)計(jì)工具、用來(lái)制造芯片不同金屬層的昂貴光刻掩膜組以及初始原型器件的生產(chǎn)成本。這些NRE成本可能從數(shù)十萬(wàn)美元至數(shù)百萬(wàn)美元。
對(duì)于可編程邏輯器件，設(shè)計(jì)人員可利用價(jià)格低廉的軟件工具快速開發(fā)、仿真和測(cè)試其設(shè)計(jì)。然后，可快速將設(shè)計(jì)編程到器件中，并立即在實(shí)際運(yùn)行的電路中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試。原型中使用的PLD器件與正式生產(chǎn)最終設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)路由器、DSL調(diào)制解調(diào)器、DVD播放器、或汽車導(dǎo)航系統(tǒng)）時(shí)所使用的PLD完全相同。這樣就沒(méi)有了NRE成本，最終的設(shè)計(jì)也比采用定制固定邏輯器件時(shí)完成得更快。
采用PLD的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)階段中客戶可根據(jù)需要修改電路，直到對(duì)設(shè)計(jì)工作感到滿意為止。這是因?yàn)镻LD基于可重寫的存儲(chǔ)器技術(shù)——要改變?cè)O(shè)計(jì)，只需要簡(jiǎn)單地對(duì)器件進(jìn)行重新編程。一旦設(shè)計(jì)完成，客戶可立即投入生產(chǎn)，只需要利用最終軟件設(shè)計(jì)文件簡(jiǎn)單地編程所需要數(shù)量的PLD就可以了。 
 
CPLD和FPGA
可編程邏輯器件的兩種類型是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）。在這兩類可編程邏輯器件中，FPGA提供了最高的邏輯密度、最豐富的特性和最高的性能。現(xiàn)在最新的FPGA器件，如Xilinx Virtex™ 系列中的部分器件，可提供八百萬(wàn)“系統(tǒng)門”（相對(duì)邏輯密度）。這些先進(jìn)的器件還提供諸如內(nèi)建的硬連線處理器（如IBM Power PC）、大容量存儲(chǔ)器、時(shí)鐘管理系統(tǒng)等特性，并支持多種最新的超快速器件至器件（device-to-device）信號(hào)技術(shù)。FPGA被應(yīng)用于范圍廣泛的應(yīng)用中，從數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)直到儀器儀表、電信和數(shù)字信號(hào)處理。 
與此相比，CPLD提供的邏輯資源少得多 —— 最高約1萬(wàn)門。但是，CPLD提供了非常好的可預(yù)測(cè)性，因此對(duì)于關(guān)鍵的控制應(yīng)用非常理想。而且CPLD器件（如Xilinx CoolRunner™ 系列）需要的功耗極低，并且價(jià)格低廉，從而使其對(duì)于成本敏感的、電池供電的便攜式應(yīng)用（如移動(dòng)電話和數(shù)字手持助理）非常理想。 
PLD的優(yōu)點(diǎn)
固定邏輯器件和PLD各有自己的優(yōu)點(diǎn)。例如，固定邏輯器件經(jīng)常更適合大批量應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛筛鼮榻?jīng)濟(jì)地大批量生產(chǎn)。對(duì)一些需要極高性能的應(yīng)用，固定邏輯也可能是最佳的選擇。 
然而，可編程邏輯器件提供了一些優(yōu)于固定邏輯器件的重要優(yōu)點(diǎn)，包括：
•    PLD在設(shè)計(jì)過(guò)程中為客戶提供了更大的靈活性，因?yàn)閷?duì)于PLD來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)反復(fù)只需要簡(jiǎn)單地改變編程文件就可以了，而且設(shè)計(jì)改變的結(jié)果可立即在工作器件中看到。 
•    PLD不需要漫長(zhǎng)的前導(dǎo)時(shí)間來(lái)制造原型或正式產(chǎn)品 – PLD器件已經(jīng)放在分銷商的貨架上并可隨時(shí)付運(yùn)。 
•    PLD不需要客戶支付高昂的NRE成本和購(gòu)買昂貴的掩膜組。PLD供應(yīng)商在設(shè)計(jì)其可編程器件時(shí)已經(jīng)支付了這些成本，并且可通過(guò)PLD產(chǎn)品線延續(xù)多年的生命期來(lái)分?jǐn)傔@些成本。 
•    PLD允許客戶在需要時(shí)僅訂購(gòu)所需要的數(shù)量，從而使客戶可控制庫(kù)存。采用固定邏輯器件的客戶經(jīng)常會(huì)面臨需要廢棄的過(guò)量庫(kù)存，而當(dāng)對(duì)其產(chǎn)品的需求高漲時(shí)，他們又可能為器件短缺（供貨不足）所苦，并且不得不面對(duì)生產(chǎn)延遲的現(xiàn)實(shí)。 
•    PLD甚至在設(shè)備付運(yùn)到客戶那兒以后還可以重新編程。事實(shí)上，由于有了可編程邏輯器件，一些設(shè)備制造商現(xiàn)在正在嘗試為已經(jīng)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)品增加新功能或者進(jìn)行升級(jí)。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，只需要通過(guò)因特網(wǎng)將新的編程文件上載到PLD就可以在系統(tǒng)中創(chuàng)建出新的硬件邏輯。 
過(guò)去幾年時(shí)間里，可編程邏輯供應(yīng)商取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步，以致現(xiàn)在PLD被眾多設(shè)計(jì)人員視為是邏輯解決方案的當(dāng)然之選。能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)的重要原因之一是像賽靈思這樣的PLD供應(yīng)商是“無(wú)晶圓制造廠”企業(yè)，并不直接擁有芯片制造工廠，賽靈思將芯片制造工作外包給聯(lián)華電子（UMC）和東芝，他們是芯片制造行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)廠商。這一策略使賽靈思可以集中精力設(shè)計(jì)新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、軟件工具和IP核心，同時(shí)還可以利用最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)。先進(jìn)的工藝技術(shù)在一系列關(guān)鍵領(lǐng)域?yàn)镻LD提供了幫助：更快的性能、集成更多功能、降低功耗和成本等。目前賽靈思提供采用先進(jìn)的90nm和65nm工藝生產(chǎn)的可編程邏輯器件，它們都是業(yè)界最領(lǐng)先的工藝。
例如，僅僅數(shù)年前，最大規(guī)模的FPGA器件也僅僅為數(shù)萬(wàn)系統(tǒng)門，工作在40 MHz。過(guò)去的FPGA也相對(duì)較貴，當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的FPGA器件大約要150美元。然而，今天具有最先進(jìn)特性的FPGA可提供百萬(wàn)門的邏輯容量、工作在300 MHz，成本低至不到10美元，并且還提供了更高水平的集成特性，如處理器和存儲(chǔ)器。 
同樣重要的是，PLD現(xiàn)在有越來(lái)越多的核心技術(shù)（IP）庫(kù)的支持 - 用戶可利用這些預(yù)定義和預(yù)測(cè)試的軟件模塊在PLD內(nèi)迅速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。IP核心包括從復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理算法和存儲(chǔ)器控制器直到總線接口和成熟的軟件微處理器在內(nèi)的一切。此類IP核心為客戶節(jié)約了大量時(shí)間和費(fèi)用 – 否則，用戶可能需要數(shù)月的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)這些功能，而且還會(huì)進(jìn)一步延遲產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。 
結(jié)論
可編程邏輯的價(jià)值在于其縮短了電子產(chǎn)品制造商的開發(fā)周期以及幫助他們更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的能力。隨著PLD供應(yīng)商繼續(xù)致力于在可編程邏輯器件中集成更多的功能、進(jìn)一步降低成本并提高能夠節(jié)約時(shí)間的IP核心的可用性，可編程邏輯一定會(huì)在數(shù)字設(shè)計(jì)人員中進(jìn)一步普及開來(lái)。
實(shí)際上，近年來(lái)，PLD銷售額的增長(zhǎng)速度已經(jīng)超過(guò)基于傳統(tǒng)門陣列技術(shù)的固定邏輯器件的銷售增長(zhǎng)速度。而且，高性能FPGA現(xiàn)在已開始從采用最先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)單元技術(shù)制造的固定邏輯器件那兒贏得市場(chǎng)份額。 
根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)聯(lián)盟（SIA）提供的數(shù)據(jù)，可編程邏輯現(xiàn)在是半導(dǎo)體行業(yè)中增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一，在過(guò)去幾年時(shí)間里，PLD的銷售增長(zhǎng)速度超過(guò)了整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的平均銷售增長(zhǎng)速度。