1.1 FPGA的发展趋势

什么是FPGA？按照Intel FPGA（英特尔FPGA）官网上的介绍，FPGA是现场可编程门阵列（Filed Programmable Gate Array）的简称。在这种半导体集成电路中，大量电气功能甚至可在设备发运至客户现场后进行更改。这些强大的设备可通过定制加速关键工作的推进，并支持设计工程师适应新兴标准或不断变化的要求。FPGA能够为各种电气设备的设计师提供帮助，包括智能电网、飞机导航、汽车驾驶辅助、医学超声波检查和数据中心搜索引擎等领域。

自1985年Xilinx（赛灵思）公司推出第一片现场可编程逻辑器件至今，FPGA已有20多年的历史。在这20多年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展。现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门，发展到20世纪90年代的25万个可利用门。21世纪之初，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Intel公司（Intel公司于2015年收购了Altera FPGA，本书后续统称为Intel公司）、Xilinx公司陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。FPGA技术正处于高速发展时期，新型芯片的规模越来越大，成本越来越低，低端的FPGA已逐步取代了传统的数字元器件，高端的FPGA不断争夺专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）、专用标准产品（Application Specific Standard Parts, ASSP）、数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）的市场份额。特别是随着ARM、FPGA、DSP技术的相互融合，在FPGA芯片中集成专用的ARM及DSP核的方式已将FPGA技术的应用推到了一个前所未有的高度。

纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本在于FPGA不仅可以使电子系统小型化、功耗低、可靠性高，而且开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，越来越多地取代了ASIC、DSP的市场，特别是小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。

目前，FPGA的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入片上可编程系统（System-On-a-Programmable-Chip, SOPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低电压、低功耗方向发展；国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化资源，更好地满足用户的需求，扩大市场；特别引人注目的是FPGA与ARM、DSP等技术的相互融合，推动了多种芯片的融合式发展，从而极大地扩展了FPGA的性能和应用范围。

1.大容量、低电压、低功耗的FPGA

大容量FPGA是市场发展的焦点。FPGA产业中的两大霸主——Intel和Xilinx在超大容量FPGA上展开了激烈的竞争。2011年，Intel公司率先推出了包括三大28 nm FPGA系列芯片——Stratix V、Arria V与Cyclone V系列芯片。Xilinx随即推出了28 nm FPGA芯片，也包括三大系列——Artix-7、Kintex-7、Virtex-7。目前，Intel已推出首款10 nm FPGA芯片AGILEX。

采用深亚微米（DSM）的半导体工艺后，器件在性能提高的同时，价格逐步降低。便携式应用产品的发展对FPGA的低电压、低功耗的要求日益迫切。因此，无论哪个厂家、哪种类型的产品，都在瞄准这个方向努力。

2.系统级高密度FPGA

随着生产规模的扩大，产品应用成本的下降，FPGA的应用已经不是过去的仅仅适用于系统接口部件的现场集成，而是灵活地应用于系统级（包括其核心功能芯片）设计之中。在这样的背景下，国际主要FPGA厂家在系统级高密度FPGA的技术发展上，主要强调了两个方面：IP（Intellectual Property，知识产权）硬核和IP软核。当前具有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面：一方面是FPGA厂商将IP硬核（指完成版图设计的功能单元模块）嵌入FPGA器件；另一方面是大力扩充优化的IP软核（指使用HDL语言设计并经过综合验证的功能单元模块），用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的IP核资源，有效地完成复杂的片上系统设计。

3.硅片融合的趋势

2011年以后，整个半导体业界芯片融合的趋势越来越明显。例如，以DSP见长的德州仪器（Texas Instruments, TI）、美国模拟器件公司（Analog Device Inc., ADI）相继推出将DSP与MCU（Micro Control Unit，微控制单元）集成在一起的芯片平台，而以做MCU平台为主的厂商也推出了在MCU平台上集成DSP核的方案。在FPGA业界，这个趋势更加明显，除DSP核和处理器IP早已集成在FPGA芯片上外，FPGA厂商还积极与处理器厂商合作，推出集成了FPGA的处理器平台产品。

这种融合趋势出现的根本原因是什么呢？这还要从CPU、DSP、FPGA和ASIC各自的优缺点说起。通用的CPU和DSP软件可编程、灵活性高，但功耗较高；FPGA具有硬件可编程的特点，非常灵活，功耗较低；ASIC是针对特定应用固化的、不可编程、不灵活，但功耗很低。这就产生了一个矛盾，即灵活性和效率的矛盾。随着电子产品推陈出新速度不断加快，人们对产品设计的灵活性和功耗效率的要求越来越高，怎样才能兼顾灵活性和功效，是一个巨大的挑战。半导体业内最终共同认可了一点——芯片的融合。将不同特点的芯片集成在一起，让平台具备它们所有的优点，避免所有的缺点。因此，“微处理器+DSP+专用IP+可编程”架构成为芯片融合的主要架构。

在芯片融合的方向上，FPGA具有天然的优势。这是因为FPGA本身的架构非常清晰，其生态系统经过多年的培育、发展，已非常完善，软、硬件和第三方合作伙伴都非常成熟。此外，其自身在发展过程中已经进行了很多CPU、DSP和许多硬IP的集成，因此在与其他处理器进行融合时，具有成熟的环境和丰富的经验。Intel和Xilinx均已和业内各个CPU厂商展开了合作，推出了混合系统架构的产品。例如，在FPGA芯片内嵌入基于双核ARM Cortex-A9 MPCore的处理器平台可以让开发人员同时拥有串行和并行处理能力，可为各种嵌入式系统的开发人员提供强大的系统性能、灵活性和集成度。