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    2019-03-10 19:43:02 来源:EEFOCUS
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    有人把它比作集成电路领域的“橡皮泥”,还有人称其为可编程的“万能芯片”,作为四大通用集成电路芯片之一,其重要性与CPU、存储器、DSP齐平。


    它是何方神圣?


    我们来了解一下。

     


    FPGA,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物,是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的,是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能的数字集成电路。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。


    特别是在云计算、大数据、人工智能、工业互联网等技术成为电子信息产业新热点之际,FPGA在这些领域之中都发挥着不可替代的作用。中国既是FPGA的重要应用市场,也在FPGA产业上具有一定的基础。近年来,中国厂商在国际FPGA产业生态中开始拥有着相应地位。国家在扶持CPU、存储器等集成电路产业之后,提前布局大数据、云计算产业,推动FPGA的发展已箭在弦上。

     

    FPGA的优势和不足

    FPGA优点包括可编程灵活性高、开发周期短、并行计算效率高等。


    可编程灵活性高:与ASIC的全定制电路不同,FPGA属于半定制电路。理论上,如果FPGA提供的门电路规模足够大,通过编程可以实现任意ASIC和DSP的逻辑功能。另外,编程可以反复,不像ASIC设计后固化不能修改。所以,FPGA的灵活性也较高。实际应用中,FPGA的现场可重复编程性使开发人员能够用软件升级包通过在片上运行程序来修改芯片,而不是替换和设计芯片(设计和时间成本巨大),甚至FPGA可通过因特网进行远程升级。

     


    开发周期短:ASIC制造流程包括逻辑实现、布线处理和流片等多个步骤,而FPGA无需布线、掩模和定制流片等,芯片开发流程简化,FPGA比ASIC的设计流程大幅减小。

     

    并行计算效率高:FPGA属于并行计算,一次可执行多个指令的算法,而传统的ASIC、DSP甚至CPU都是串行计算,一次只能处理一个指令集,如果ASIC和CPU需要提速,更多的方法是增加频率,所以ASIC、CPU的主频一般较高。FPGA虽然普遍主频较低,但对部分特殊的任务,大量相对低速并行的单元比起少量高效单元而言效率更高。另外,从某种角度上说,FPGA内部其实并没有所谓的“计算”,最终结果几乎是类似于ASIC“电路直给”,因此执行效率就大幅提高。

     

    目前制约FPGA发展的主要因素分别是:成本、功耗和编程设计。

     

    成本:对于小批量多批次的专用控制设别(如雷达、航天飞机、汽车电子、路由器,这些高价值、批量相对较小、多通道计算的专用设备)采用FPGA更加经济划算。但是,对于流片量大(大概5万次以上)的芯片,FPGA成本更高,随着流片量的增加成本越来越高。


    功耗:FPGA中的芯片的面积比ASIC更大,这是因为FPGA厂商并不知道下游的具体需求应用,故在芯片中装入规模巨大的门电路(其实很多没有使用到),行业深度报告:FPGA—大数据和物联网时代大有可为国防、汽车等,这些领域对低功耗要求不高。


    编程设计:FPGA的发展中,软件将占据60%的重要程度。除了考虑芯片架构,编程设计时还要考虑应用场景多样性、复杂性和效率。FPGA编程需要采用的专用工具进行HDL编译,再烧录至FPGA中,其技术门槛非常高。

     
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    作者简介
    李晨光
    李晨光

    与非网编辑,网名:L晨光,电子工程专业出身。凭借对文字的热爱和热情投身于此,热衷观察和思考,期待有所发现,有所收获。夜半时分,写出一段让自己感动的文字,最让我兴奋。

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