FPGA
一种可编程的集成电路芯片
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历史版本
FPGA是“现场可编程逻辑门阵列（Field-Programmable Gate Array）”的缩写。它是一种可编程逻辑器件，用户可通过改变配置信息对其功能进行定义，以满足设计需求[1]。与ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）相比，FPGA具有更高的灵活性和可重构性，因此在需要快速开发、验证和修改数字电路的应用中得到了广泛应用[1][2]。
简介
FPGA是可编程逻辑门阵列（Field-Programmable Gate Array）的缩写，是一个含有可编辑元件的半导体设备，可供使用者现在程序化的逻辑门阵列元件[3]。FPGA可以通过编程来实现各种数字电路，包括微处理器、数字信号处理器、数字信号编解码器等[1][4][5]。FPGA最初是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的。与定制电路相比，ASIC可以实现更高的性能和更低的功耗，但需要进行物理设计和制造，并且成本较高，生产周期较长[6]。而FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。它可以通过编程实现不同的电路功能，具有更高的灵活性和可重构性，同时还可以在较短的时间内进行开发和生产[6]。因此，FPGA在数字电路设计和嵌入式系统开发中得到了广泛应用[7]。FPGA还可以用于高性能计算[8]、图像处理[9]、通信网络处理[10]等领域。
发展历史
FPGA的发展历史可以追溯到20世纪80年代初，FPGA的发展主要分为四个阶段，分别为发明阶段、扩展阶段、积累阶段和系统阶段。（1）发明阶段（1984-1992）：1985年，赛灵思公司（Xilinx）推出的首款FPGA器件XC2064，其仅包含64个逻辑模块，每个模块含有两个3输入查找表和一个寄存器。虽然容量很小，但是该器件的晶片尺寸非常大，比当时的微处理器还要大，而且采用的工艺技术也勉强能制造出这种器件。该器件只有64个触发器，但由于晶片太大，成本高达数百美元。此外，该器件的产量对大晶片来说是超线性的，因此晶片尺寸增加5%就会让成本翻一倍，同时也导致初期的赛灵思无产品可卖。（2）扩展阶段（1992-1999）：FPGA 初创公司是无晶圆厂公司，无法获得领先的芯片技术。到上世纪 90 年代后期，IC代工厂生产晶体管和电线，使得基于 SRAM 的 FPGA 可以制造。每一代新工艺的出现使晶体管数量增加一倍，使每功 能成本减半，并将最大 FPGA 尺寸增大一倍。CMP 技术使代工厂在 IC 上堆叠更多金属层，使 FPGA 厂商可以增加片上互联，以适应更大的 LUT 容量。（3）积累阶段（2000-2007）：FPGA在新千年成为数字系统通用组件，容量和设计尺寸快速增加，并在数据通信领域占据市场。降低成本促使小型研发团队采用FPGA，而不是风险较高的定制芯片。FPGA 厂商通过生产低成本 FPGA 和开发针对重要功能的软逻辑库，来应对市场增长挑战。其中软逻辑功能包括存储器控制器、通信协议模块和软微处理器。设计特点在 2000 年代发生了改变，设计者需要考虑系统标准要求并处理通信标准，使 FPGA 在计算密集型应用中发挥重要作用。FPGA 已不仅是门阵列，而是集成可编程逻辑的复杂功能集，成为一个系统。（4）系统时代（2008-至今）：FPGA 整合了系统模块和控制功能，Zynq All-Programmable 器件是很好的例子。同时，工具也在不断发展，系统 FPGA 需要高效的系统编程语言，如 OpenCL 和 C 语言编程。[11][12][13][14]