FPGA的历史发展以及未来预测_fpga发展简史

现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），它以PAL、GAL、CPLD等可编程逻辑器件为技术基础发展而成。

自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中，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90年代的25万个可利用门，乃至当新世纪来临之即，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商ALTEra公司、Xilinx公司又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的应用领域

1、通信系统

FPGA因内部结构的特点，可以非常容易实现分布式的算法结构，这对实现无线通信中的高速数字信号处理十分有利。因为在无线通信系统中，许多功能模块通常都需要大量的滤波运算，而这些滤波函数往往需要大量的乘和累加操作。而通过FPGA 来实现分布式的算术结构，就可以有效地实现这些乘和累加操作。尤其是Xilinx公司的FPGA内部集成了大量的适合通信领域的一些资源比如：基带处理(通道卡)、接口和连接功能以及 RF(射频卡)三大类。基带处理主要包括信道编解码（LDPC、Turbo等）和同步算法的实现。接口和连接功能主要包括无线基站对外的高速通信接口（PCIE、以太网MAC等）以及内部相应的背板协议（OBSAI、CPRI等）的实现。RF应用资源主要包括调制/解调、上/下变频以及预失真等关键技术。

2、数字信号处理

FPGA因为它的高速并行处理能力，在数字信号处理领域同样十分有利。并行机制使得FPGA特别适合于完成FIR等数字滤波这样重复性的数字信号处理任务，对于高速并行的数字信号处理任务来说，FPGA性能远远超过通用DSP处理器的串行执行架构。它接口的电压和驱动能力都是可编程配置的，不像传统的DSP要受指令集控制，因为指令集的时钟周期的限制，不能处理太高速的信号，对于速率级为Gbps的LVDS之类信号就难以涉及。所以在数字信号处理领域FPGA的应用也是十分广泛的。

3、视频图像处理

随着技术进步，图像的品质提高，处理芯片需要实时处理的数据越来越大，并且图像的压缩算法也是越来越复杂，使得单纯的使用ASSP或者DSP已经满足不了如此大的数据处理量了。FPGA因为并行机制可以更高效地处理数据，所以在图像处理领域综合考虑成本后，也受到了市场欢迎。

4、高速接口设计

针对不同接口，可以在FPGA上实现不同的接口逻辑，不需要不同的接口芯片，再配合DDR存储器的使用，将使接口数据的处理变得更加轻松，而不需要复杂的硬件外设。

5、人工智能

FPGA 在人工智能系统的前端部分也是得到了广泛的应用，例如自动驾驶，需要对行驶路线、红绿灯、路障和行驶速度等各种交通信号进行采集，需要用到多种传感器，对这些传感器进行综合驱动和融合处理就可以使用FPGA。同样在机器人身上需要用到上面提及的领域的时候，都可以使用FPGA完成相应功能。

6、IC设计

随着集成电路功能增加，IC设计的复杂度也不断增加。IC设计因为制作芯片的成本过高，需要强调一版成功。所以就要对IC设计进行充分的仿真测试和FPGA验证。FPGA验证主要是把IC的代码移植到FPGA上面，使用FPGA综合工具进行综合、布局布线到最终生成bit文件，然后下载到FPGA验证板上面进行验证，对于复杂的IC我们还可以给他拆成几个部分功能去分别验证，每个功能模块放在一个FPGA上面，FPGA生成的电路非常接近真实的IC芯片。这样极大的方便IC设计人员去验证自己的IC设计。

在其他领域内，FPGA同样有不少应用，比如电力行业的高速数据采集，医疗行业的高速、大数据量的模拟量采集传输，军工行业的雷达、卫星、制导系统等等。

FPGA的发展方向

这十几年来，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展。FPGA技术之所以具有巨大的潜在市场，其根本原因在于FPGA不仅可以实现电子系统小型化、低功耗、高可靠性等优点，且其开发周期短、投入少，芯片价格不断下降。随着芯片设计工艺水平的不断提高，FPGA技术呈现出了以下三个主要的发展方向：

1、基于FPGA库的设计方案

未来FPGA芯片密度不断提高，传统的基于HDL的代码设计方法很难满足超大规模FPGA的设计需要。随着IP（Intellectual property）库设计公司增多，商业化的IP库种类越来越全面，支持的FPGA器件也越来越广泛。作为FPGA的设计者，主要工作是找到适合项目需要的IP库资源，然后将这些IP整合起来，完成顶层模块设计。由于商业的IP库都是通过验证的，因此，整个项目的仿真和验证工作主要就是验证IP库的接口逻辑设计的正确性。

2、基于FPGA的嵌入式系统技术正在成熟

片上系统SoC（System On Chip）技术是指将一个完整产品的功能集成在一个芯片上或芯片组上。SoC从系统的整体角度出发，以IP核为基础，以硬件描述语言作为系统功能和结构的描述手段，借助于以计算机为平台的EDA工具进行开发。

片上可编程系统SOPC(System on a Programmable Chip)是一种灵活、高效的SoC解决方案。它将处理器、存储器、I/O口和LVDS等系统需要的功能模块集成到一片FPGA中，构成一个可编程的片上系统。SOPC保持了SoC以系统为中心、基于IP模块的多层次、高度复用的特点，而且具有设计周期短、风险投资小和设计成本低的优势，其通过设计软件的综合、分析、裁减，可灵活地重构所需要的嵌入式系统。

3、FPGA芯片向高性能、高密度、低压和低功耗的方向发展

随着芯片生产工艺不断改善，FPGA芯片的性能和密度都在不断提高。在高性能计算和高吞吐量I/O应用方面，FPGA已经取代了专用的DSP芯片，成为最佳的实现方案。因此，高性能和高密度也成为衡量FPGA芯片厂家设计能力的重要指标。

1. FPGA动态可重构技术意义深远

随着数字逻辑系统功能复杂化的需求，单片系统的芯片正朝着超大规模、高密度的方向发展。与此同时，人们却发现一个有趣的现象，即一个超大规模的数字时序系统芯片，在其工作时，从时间轴上来看，并不是每一瞬间系统的各个部分都在工作，而系统是各个局部模块功能在时间链上的总成。同时，人们还发现，基于 SRAM编程的FPGA可以在外部逻辑的控制下，通过存储于存储器中不同的目标系统数据的重新下载，来实现芯片逻辑功能的改变。要实现高速的动态重构，要求芯片功能的重新配置时间缩短到纳秒量级，这就需要对FPGA的结构进行革新。可以预见，一旦实现了FPGA的动态重构，则将引发数字系统的设计的思想的巨大转变。

随着FPGA性能和密度的提高，功耗也逐渐成为了FPGA应用的瓶颈。虽然FPGA比DSP等处理器的功耗低，但明显高于专用芯片(ASIC)的功耗。FPGA的厂家也在采用各种新工艺和技术来降低FPGA的功耗，并且已经取得了明显的效果。

根据FPGA的技术发展，对未来FPGA的发展和作用有以下推测和预测：

1、也许会有CPU+FPGA的服务器芯片，或者直接访问CPU缓存层次的FPGA

2、SoC FPGA芯片将发展壮大，推动医疗、电信和汽车等行业

3、将出现具有动态路由、不断发展的互连和运行时灵活的数据移动的FPGA

4、布局布线软件以及FPGA之上的完整软件栈将是开源的

5、更多的芯片将专注于有限的应用空间，而更少的通用芯片。在某种程度上，一切都将变成SoC。