FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史和動向

1.1 FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史和動向

1.1.1 FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史

縱觀數(shù)字集成電路的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了從電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路到大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路等不同的階段。發(fā)展到現(xiàn)在，主要有3類電子器件：存儲器、處理器和邏輯器件。

存儲器保存隨機(jī)信息(電子數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容);處理器執(zhí)行軟件指令，以便完成各種任務(wù)(運行數(shù)據(jù)處理程序或視頻游戲);而邏輯器件可以提供特殊功能(器件之間的通信和系統(tǒng)必須執(zhí)行的其他所有功能)。

邏輯器件分成兩類：

固定的或定制的。

可編程的或可變的。

其中，固定的或定制的邏輯器件通常稱為專用芯片(ASIC)。ASIC是為了滿足特定的用途而設(shè)計的芯片，例如MP3解碼芯片等。其優(yōu)點是通過固化的邏輯功能和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，降低了芯片的成本，同時提高了產(chǎn)品的可靠性。隨著集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不斷的縮小。

但是，ASIC設(shè)計的周期很長，而且投資大，風(fēng)險高。一旦設(shè)計結(jié)束后，功能就固化了，以后的升級改版困難比較大。電子產(chǎn)品的市場正在逐漸細(xì)分，為了滿足快速產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)生了現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)。

自1984年Xilinx公司推出了第一片現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)至今，F(xiàn)PGA已經(jīng)歷了20幾年的快速發(fā)展歷程。特別是近幾年來，更是發(fā)展迅速。FPGA的邏輯規(guī)模已經(jīng)從最初的1000個可用門發(fā)展到現(xiàn)在的1000萬個可用門。

FPGA技術(shù)之所以具有巨大的市場吸引力，其根本原因在于：FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且其開發(fā)周期短、投入少，芯片價格不斷下降。FPGA正在越來越多地取代傳統(tǒng)上ASIC，特別是在小批量、個性化的產(chǎn)品市場方面。

1.1.2 FPGA技術(shù)的發(fā)展動向

隨著芯片設(shè)計工藝水平的不斷提高，F(xiàn)PGA技術(shù)呈現(xiàn)出了以下4個主要的發(fā)展動向。

1.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)(SoPC)技術(shù)正在成熟

System on Chip(SoC)技術(shù)在芯片設(shè)計領(lǐng)域被越來越廣泛地采用，而SoPC技術(shù)是SoC技術(shù)在可編程器件領(lǐng)域的應(yīng)用。這種技術(shù)的核心是在FPGA芯片內(nèi)部構(gòu)建處理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解決方案，而Altera提供的是基于NIOSII的軟核解決方案。

Altera公司為NIOSII軟核處理器提供了完整的軟硬件解決方案，可以讓客戶短時間完成SoPC系統(tǒng)的構(gòu)建和調(diào)試工作。

如圖1.1所示，是Altera Stratix III FPGA基于NIOS II解決方案的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖1.1 NIOS II解決方案

2.FPGA芯片向高性能、高密度、低壓和低功耗的方向發(fā)展

隨著芯片生產(chǎn)工藝不斷提高，F(xiàn)PGA芯片的性能和密度都在不斷提高。早期的FPGA主要是完成接口邏輯設(shè)計，比如AD/DA和DSP的粘合邏輯。現(xiàn)在的FPGA正在成為電路的核心部件，完成關(guān)鍵功能。

在高性能計算和高吞吐量I/O應(yīng)用方面，F(xiàn)PGA已經(jīng)取代了專用的DSP芯片，成為最佳的實現(xiàn)方案。因此，高性能和高密度也成為衡量FPGA芯片廠家設(shè)計能力的重要指標(biāo)。

隨著FPGA性能和密度的提高，功耗也逐漸成為了FPGA應(yīng)用的瓶頸。雖然FPGA比DSP等處理器的功耗低，但是要明顯高于專用芯片(ASIC)的功耗。FPGA的廠家也在采用各種新工藝和技術(shù)來降低FPGA的功耗，并且已經(jīng)取得了明顯的效果。

例如，Altera公司的StratixIII系列FPGA的功耗比上一代產(chǎn)品StratixII系列降低了50%以上。

3.基于IP庫的設(shè)計方法

未來的FPGA芯片密度不斷提高，傳統(tǒng)的基于HDL的代碼設(shè)計方法很難滿足超大規(guī)模FPGA的設(shè)計需要。隨著專業(yè)的IP庫設(shè)計公司不斷增多，商業(yè)化的IP庫種類會越來越全面，支持的FPGA器件也會越來廣泛。

作為FPGA的設(shè)計者，主要的工作是找到適合項目需要的IP庫資源，然后將這些IP整合起來，完成頂層模塊設(shè)計。由于商業(yè)的IP庫都是通過驗證的，因此整個項目的仿真和驗證工作主要就是驗證IP庫的接口邏輯設(shè)計的正確性。

目前，由于國內(nèi)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)還不盡完善，基于IP庫的設(shè)計方法還沒有得到廣泛應(yīng)用。但是隨著FPGA密度不斷提高和IP庫的價格逐漸趨于合理化，這種設(shè)計方法將會成為主流的FPGA設(shè)計技術(shù)。

4.FPGA的動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)

FPGA動態(tài)重構(gòu)技術(shù)主要是指對于特定結(jié)構(gòu)的FPGA芯片，在一定的控制邏輯的驅(qū)動下，對芯片的全部或部分邏輯資源實現(xiàn)高速的功能變換，從而實現(xiàn)硬件的時分復(fù)用，節(jié)省邏輯資源。

由于密度不斷提高，F(xiàn)PGA能實現(xiàn)的功能也越來越復(fù)雜。FPGA全部邏輯配置一次的需要的時間也變長了，降低了系統(tǒng)的實時性。局部邏輯的配置功能可以實現(xiàn)“按需動態(tài)重構(gòu)”，大大提高了配置的效率。

動態(tài)可重構(gòu)的FPGA可以在系統(tǒng)運行中對電路功能進(jìn)行動態(tài)配置，實現(xiàn)硬件的時分復(fù)用，節(jié)省了資源，主要適用于以下兩個系統(tǒng)設(shè)計：

最新通信系統(tǒng)。

FPGA的動態(tài)重構(gòu)特性可以適應(yīng)不同體制和不同標(biāo)準(zhǔn)的通信要求，滿足軟件無線電技術(shù)的發(fā)展和第三代(3G)和第四代(4G)移動通信系統(tǒng)的需要。

重構(gòu)計算機(jī)：FPGA具有并行處理能力和動態(tài)配置能力，可自動改變硬件來適應(yīng)正在運行的程序，產(chǎn)生了基于這種軟硬件環(huán)境的全新概念的計算機(jī)。