FPGA芯片(技術(shù))發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用調(diào)研

1引言

1.1背景

1.2FPGA簡(jiǎn)介

FPGA全稱是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array),結(jié)構(gòu)是什么？

有哪些分類？

基本的作用？

1.3比較

MS 把 CPU，GPU，F(xiàn)PGA 和 ASIC 放在 Flexibility VS Efficiency的角度進(jìn)行對(duì)比，這個(gè)也是我們經(jīng)常使用的方法。再次強(qiáng)調(diào)，靈活性（通用性）一定意味著效率的損失，反之亦然[2]

這幾個(gè)相比的優(yōu)缺點(diǎn)又各是什么

1.4國家戰(zhàn)略

中國從2006年到2020年實(shí)施的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》[3]中，明確指出重點(diǎn)領(lǐng)域中的第7條信息產(chǎn)業(yè)與服務(wù)業(yè)，要重點(diǎn)發(fā)展集成電路及關(guān)鍵元器件。集成電路及芯片是計(jì)算機(jī)的核心部件，隨著中美兩國在科技上的競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，為遏制我國電子信息產(chǎn)業(yè)向高端、核心領(lǐng)域發(fā)展，如中興華為大疆等高科技公司接連被美國制裁。實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)和裝備的國產(chǎn)化和自主可控已上升到國家戰(zhàn)略層面。

FPGA國產(chǎn)化是實(shí)現(xiàn)集成電路國產(chǎn)化的重要一環(huán)，同時(shí)也作為十二五核高基重大專項(xiàng)——千萬門FPGA設(shè)計(jì)，2發(fā)展歷史

FPGA是PAL(可編程陣列邏輯)、GAL(通用陣列邏輯)、PLD(可編程邏輯器件)等可編程器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

FPGA與ASIC(專用集成電路)、GPU(中央處理器)的比較

[5]ASIC芯片尺寸小、功能強(qiáng)、功耗低，但其設(shè)計(jì)復(fù)雜，并且由批量要求

FPGA價(jià)格較低廉，能現(xiàn)場(chǎng)編程，但體積大、能力有限且功耗比ASIC大

2.1起源

可編程電路發(fā)展歷程1、20世紀(jì)70年代 基于與或陣列的PLD(可編程邏輯器件)

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只能實(shí)現(xiàn)用少量乘積項(xiàng)表示的小規(guī)模電路2、1984年 Altera公司制造出紫外線可擦寫的EPLD

特點(diǎn)：可重復(fù)編程3、1985年 Lattice公司制造出電可擦寫的GAL

特點(diǎn)：設(shè)計(jì)靈活、高速、低功耗和改寫迅速方便等4、1985年 Xilinx公司制造出FPGA

特點(diǎn)：結(jié)合PLD可編程性與MPGA(掩膜可編程門陣列)通用連線結(jié)構(gòu)，因而具備可編程性和高邏輯密度。

中國FPGA技術(shù)的追趕歷程列出引用文獻(xiàn)

1、反向研制

2、正向研制

3、完備化的正向研制

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示，國內(nèi)目前有以高云半導(dǎo)體、京微齊力、上海安路、紫光同創(chuàng)、AGM和上海復(fù)旦微電子等為代表的數(shù)家國產(chǎn)FPGA企業(yè)

國內(nèi)研究文獻(xiàn)大多從1992年開始出現(xiàn)FPGA技術(shù)的介紹

早先的介紹書籍 朱明程.FPGA 原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)

復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2004研制10萬門針對(duì)數(shù)據(jù)通信的FPGA芯片“FDP100K”

成果轉(zhuǎn)化-復(fù)旦微電子企業(yè)

2.2

(1)(embedded)eFPGA(嵌入式現(xiàn)場(chǎng)可編程門電路)

eFPGA思想由2014年王成誠博士等人提出，作者隨后成立FlexLogix公司并將其商業(yè)化，(2)

2.3 FPGA的結(jié)構(gòu)[5]

采用邏輯單元陣列的新概念，包括可配置邏輯模塊(CLB)、輸入輸出模塊(IOB)和內(nèi)部連線三個(gè)部分

2.4 FPGA的設(shè)計(jì)流程

利用開發(fā)軟件和編程工具對(duì)器件進(jìn)行開發(fā)的過程,2.5 發(fā)展趨勢(shì)[5]

2003年文章指出幾點(diǎn)

1、大容量、低電壓、低功耗FPGA2、系統(tǒng)級(jí)高密度FPGA3、FPGA與ASIC相互融合4、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)FPGA

不僅在系統(tǒng)重新配置電路功能，而且在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)電路邏輯，比如對(duì)于時(shí)序邏輯系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)FPGA的意義在于其時(shí)序邏輯的發(fā)生不是通過調(diào)用芯片內(nèi)不同區(qū)域、不同邏輯資源來組合而成，而是通過對(duì)FPGA進(jìn)行局部或全局的芯片邏輯的動(dòng)態(tài)重構(gòu)而實(shí)現(xiàn)的。

3發(fā)展現(xiàn)狀

2014年[6]

三種編程方式的對(duì)比

3.1 企業(yè)

兩大兩小

Xilinx、Intel(Altera)、Lattice、Microsemi

Altera(被Intel收購)和Xilinx

深耕eFPGA也有前兩個(gè)公司FlexLogic 和 QuickLogic

調(diào)研Xilinx公司產(chǎn)品系列

主流是28nm工藝，屬于芯片產(chǎn)業(yè)中絕大多數(shù)的產(chǎn)品制程，而且國內(nèi)上海微電子近年內(nèi)已經(jīng)突破28nm光刻機(jī)的研制，可以滿足大部分的芯片替代生產(chǎn)需求。

Xilinx公司在28nm制程上推出7系列的四大類型芯片，覆蓋低端中端高端市場(chǎng)，分別是Spartan系列（低端）、Artix系列（中低端）、Kintex（中高端）及Vertex系列（高端）產(chǎn)品。

在20nm工藝上推出UltraScale系列

3.2 行業(yè)分析

2021年在倪光南院士的電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議中[4]，整理了最新國產(chǎn)核心電子器件的研制進(jìn)展

4前景

4.1 應(yīng)用前景

4.2 前沿進(jìn)展

5總結(jié)

5.1優(yōu)缺點(diǎn)分析

5.2啟示

5.3可行的工作

由于FPGA與中央處理器的接口存在高延遲，高性能計(jì)算受限[1]

參考文獻(xiàn)

[1]馮園園,張倩.嵌入式FPGA技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及啟示[J].集成電路應(yīng)用,2018, 35(08):1-4.[2]唐杉.可編輯門陣列FPGA在智慧云中的應(yīng)用案例分析[J].集成電路應(yīng)用.2018(01).[3]中華人民共和國國務(wù)院.國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）［EB/OL］.（2006-02-09）［2021-04-01］.http://

[4]倪光南,朱新忠.自主可控關(guān)鍵軟硬件在我國宇航領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展建議[J].上海航天(中英文).2021, 38(03):30-34.[5]陸重陽,盧東華.FPGA 技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].微電子技術(shù),2003,31(01):5-7.[6]Yang Haigang, Zhang Jia, Zhang Jia,etc.REVIEW OF ADVANCED FPGA ARCHITECTURES AND TECHNOLOGIES[J].JOURNAL OF ELECTRONICS(CHINA).2014,31(5).