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有人把它比作集成電路領(lǐng)域的“橡皮泥”，還有人稱其為可編程的“萬(wàn)能芯片”，作為四大通用集成電路芯片之一，其重要性與CPU、存儲(chǔ)器、DSP齊平。

它是何方神圣？

我們來(lái)了解一下。

FPGA，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，是指一切通過(guò)軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成既定設(shè)計(jì)功能的數(shù)字集成電路。既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

特別是在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)成為電子信息產(chǎn)業(yè)新熱點(diǎn)之際，F(xiàn)PGA在這些領(lǐng)域之中都發(fā)揮著不可替代的作用。中國(guó)既是FPGA的重要應(yīng)用市場(chǎng)，也在FPGA產(chǎn)業(yè)上具有一定的基礎(chǔ)。近年來(lái)，中國(guó)廠商在國(guó)際FPGA產(chǎn)業(yè)生態(tài)中開(kāi)始擁有著相應(yīng)地位。國(guó)家在扶持CPU、存儲(chǔ)器等集成電路產(chǎn)業(yè)之后，提前布局大數(shù)據(jù)、云計(jì)算產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)FPGA的發(fā)展已箭在弦上。

FPGA優(yōu)點(diǎn)包括可編程靈活性高、開(kāi)發(fā)周期短、并行計(jì)算可編程靈活性高等。

可編程靈活性高：與ASIC的全定制電路不同，F(xiàn)PGA屬于半定制電路。理論上，如果FPGA提供的門電路規(guī)模足夠大，通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外，編程可以反復(fù)，不像ASIC設(shè)計(jì)后固化不能修改。所以，F(xiàn)PGA的靈活性也較高。實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA的現(xiàn)場(chǎng)可重復(fù)編程性使開(kāi)發(fā)人員能夠用軟件升級(jí)包通過(guò)在片上運(yùn)行程序來(lái)修改芯片，而不是替換和設(shè)計(jì)芯片（設(shè)計(jì)和）時(shí)間成本巨大），甚至FPGA可通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)。

開(kāi)發(fā)周期短：ASIC制造流程包括邏輯實(shí)現(xiàn)、布線處理和流片等多個(gè)步驟，而FPGA無(wú)需布線、掩模和定制流片等，芯片開(kāi)發(fā)流程簡(jiǎn)化，F(xiàn)PGA比ASIC的設(shè)計(jì)流程大幅減小。

并行計(jì)算效率高：FPGA屬于并行計(jì)算，一次可執(zhí)行多個(gè)指令的算法，而傳統(tǒng)的ASIC、DSP甚至CPU都是串行計(jì)算，一次只能處理一個(gè)指令集，如果ASIC和CPU需要提速，更多的方法是增加頻率，所以ASIC、CPU的主頻一般較高。FPGA雖然普遍主頻較低，但對(duì)部分特殊的任務(wù)，大量相對(duì)低速并行的單元比起少量高效單元而言效率更高。另外，從某種角度上說(shuō)，F(xiàn)PGA內(nèi)部其實(shí)并沒(méi)有所謂的“計(jì)算”，最終結(jié)果幾乎是類似于ASIC“電路直給”，因此執(zhí)行效率就大幅提高。

目前制約FPGA發(fā)展的主要因素分別是：成本、功耗和編程設(shè)計(jì)。

成本：對(duì)于小批量多批次的專用控制設(shè)別（如雷達(dá)、航天飛機(jī)、汽車電子、路由器，這些高價(jià)值、批量相對(duì)較小、多通道計(jì)算的專用設(shè)備）采用FPGA更加經(jīng)濟(jì)劃算。但是，對(duì)于流片量大（大概5萬(wàn)次以上）的芯片，F(xiàn)PGA成本更高，隨著流片量的增加成本越來(lái)越高。

功耗：FPGA中的芯片的面積比ASIC更大，這是因?yàn)镕PGA廠商并不知道下游的具體需求應(yīng)用，故在芯片中裝入規(guī)模巨大的門電路（其實(shí)很多沒(méi)有使用到），行業(yè)深度報(bào)告:FPGA—大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大有可為國(guó)防、汽車等，這些領(lǐng)域?qū)Φ凸囊蟛桓摺?/p>

編程設(shè)計(jì)：FPGA的發(fā)展中，軟件將占據(jù)60%的重要程度。除了考慮芯片架構(gòu)，編程設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮應(yīng)用場(chǎng)景多樣性、復(fù)雜性和效率。FPGA編程需要采用的專用工具進(jìn)行HDL編譯，再燒錄至FPGA中，其技術(shù)門檻非常高。

具體細(xì)分領(lǐng)域來(lái)看，在FPGA被用于深度學(xué)習(xí)之前，F(xiàn)PGA主要有3大應(yīng)用方向：通信設(shè)備的高速接口電路設(shè)計(jì)；數(shù)字信號(hào)處理方向/數(shù)學(xué)計(jì)算方向，包括圖像處理，雷達(dá)信號(hào)處理，醫(yī)學(xué)信號(hào)處理等，優(yōu)勢(shì)是實(shí)時(shí)性好，用面積換速度，比CPU快的多；SOPC，即利用FPGA這個(gè)平臺(tái)搭建的一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的底層硬件環(huán)境，然后設(shè)計(jì)者在上面進(jìn)行嵌入式軟件開(kāi)發(fā)。

中國(guó)FPGA市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率非常低，政府部門國(guó)產(chǎn)應(yīng)用率不足30%，還有很大提升空間，商用市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率就更低，形勢(shì)不容樂(lè)觀。

為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防需求，打破國(guó)外壟斷，中國(guó)政府多年來(lái)投入了數(shù)百億科研經(jīng)費(fèi)，通過(guò)逆向工程方式仿制美國(guó)對(duì)我禁運(yùn)的FPGA產(chǎn)品。

不過(guò)，由于全球絕大部分FPGA專業(yè)人才集中在前幾家龍頭廠商，其它廠商人才匱乏，再加上FPGA開(kāi)發(fā)需要最先進(jìn)的制造封測(cè)工藝、軟件開(kāi)發(fā)難度大、IP多且雜，需要大量應(yīng)用才能支撐市場(chǎng)，因此中國(guó)目前的發(fā)展存在嚴(yán)重滯后的問(wèn)題。

當(dāng)然，這也是國(guó)內(nèi)廠商的發(fā)展機(jī)會(huì)，從信息、產(chǎn)業(yè)和國(guó)防安全等方面考慮，中國(guó)不僅需要自主FPGA，而且還需要將其快速國(guó)產(chǎn)化。

我們不得不承認(rèn)國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)與國(guó)際巨頭還存在較大的差距，不論從產(chǎn)品性能、功能、功耗、軟件、應(yīng)用支撐以及成本上都有差距。

但是，中國(guó)擁有超過(guò)50億元的FPGA市場(chǎng)。中國(guó)的可編程器件市場(chǎng)將持續(xù)保持年均30%以上的增長(zhǎng)速度。諸如航天航空、信息安全、知識(shí)產(chǎn)品保護(hù)等國(guó)內(nèi)一些重要研究部門急需也長(zhǎng)期需要FPGA用于國(guó)家安全和重點(diǎn)應(yīng)用。

此外，中國(guó)電子產(chǎn)品市場(chǎng)要求敏捷快速的研發(fā)周期和少量多樣的產(chǎn)品形態(tài)，最適合FPGA應(yīng)用。以及在AI、IoT、5G快速發(fā)展和即將商用的情況下，預(yù)計(jì)將帶來(lái)龐大的FPGA增量市場(chǎng)，而這也是國(guó)內(nèi)廠商快速切入的時(shí)機(jī)。

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