FPGA的发展历史及相关名词解释
FPGA全稱Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編輯邏輯門(mén)陣列。它以PAL、GAL、CPLD等可編程邏輯器件為技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)展而成。相較全定制的ASIC（Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路），它是一種半定制芯片，FPGA既彌補(bǔ)了ASIC靈活性不足，又克服原有可編程邏輯組件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。從用戶的角度看，它是一種不需要高額費(fèi)用的可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)定制的ASIC，更多介紹可參考:
了解FPGA的發(fā)展歷史會(huì)讓我們?cè)谧鯢PGA設(shè)計(jì)時(shí)有一種通透感，也能幫助我們更好的認(rèn)識(shí)FPGA的片上資源，很有必要。
一. 數(shù)字邏輯發(fā)展史
FPGA的發(fā)展基于數(shù)字邏輯（包括硬件描述語(yǔ)言）的發(fā)展。
數(shù)字邏輯發(fā)展大事記
| 1906 | 三極管 |
| 1947 | 晶閘管 |
| 1958 | 集成電路 |
| 1965 | 摩爾定律 |
| 1969 | IBM發(fā)明了PLA（Programmable logic array，可編程邏輯陣列） |
| 1984 | Xilinx發(fā)明了FPGA |
| 1987 | VHDL成為IEEE標(biāo)準(zhǔn) |
| 1995 | Verilog成為IEEE標(biāo)準(zhǔn) |
二. FPGA邏輯門(mén)規(guī)模與企業(yè)發(fā)展史
FPGA最初是20世紀(jì)80年代由Xilinx公司發(fā)明的，距今已有三十多年的歷史，40多家企業(yè)參與其中，下表展示了FPGA的邏輯門(mén)規(guī)模與企業(yè)的發(fā)展歷史。
| 1970s | 幾十~幾百 | FPLA（Filed Programmable Logic Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列） | 用戶可編程器件，使用了基于熔絲的ROM，只可被寫(xiě)入一次 | Signetics（曾屬Philips，現(xiàn)屬NXP） |
| PAL（Programmable Array Logic，可編程陣列邏輯） | 采用雙極性晶體管的高速OR陣列，只可被寫(xiě)入一次 | MMI（曾屬Vantis，現(xiàn)屬Lattice） | ||
| 1980s | 幾百 | GAL（Generic Array Logic） | 采用CMOS實(shí)現(xiàn)低功耗，編程器件采用電可擦除/編程的EEPROM，可重復(fù)編程但集成度難以做大 | |
| 幾百~幾千 | FPGA | 實(shí)現(xiàn)了由可編程邏輯塊，連線和I/O單元組成的基本邏輯陣列結(jié)構(gòu) | Xilinx | |
| CPLD（Complex Progeammable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件） | 具有多個(gè)AND-OR陣列構(gòu)造的邏輯塊，具有密度高，容量大，速度快的特點(diǎn) | Altera AMD Lattice | ||
| 反熔絲FPGA | 容易實(shí)現(xiàn)高速電路，具有非易失性，但只能被寫(xiě)入一次 | Actel QuickLogic | ||
| 1990s | 幾千~100萬(wàn) | 基于SRAM的FPGA | 主要有Flex，ORCA，VF1，AT40K等系列 | Altera AT&T AMD Atmel |
| 基于Flash的FPGA | 采用Flash ROM的FPGA，具有非易失性，可多次擦寫(xiě) | GateField | ||
| BiCMOS FPGA | 采用BiCOMS工藝高速ECL邏輯的FPGA（DL5000系列） | DynaChip | ||
| 2000s | 100萬(wàn)~1500萬(wàn) | 百萬(wàn)門(mén)級(jí)別FPGA，SoPD（System on Progeammable Device） | 搭載處理器核心（硬核IP或軟核IP），DSP塊，多輸入邏輯塊，高速接口，多平臺(tái)化 | Altera Xilinx |
| 初創(chuàng)企業(yè)FPGA -超低功耗FPGA -高速異步FPGA -動(dòng)態(tài)重配置FPGA -大規(guī)模FPGA -單體 3D-FPGA | 初創(chuàng)企業(yè)的技術(shù) -基于低漏電工藝和電流遮斷技術(shù)的低功耗技術(shù) -基于異步電路的數(shù)據(jù)令牌傳輸技術(shù) -基于動(dòng)態(tài)可重配置的虛擬3D化技術(shù) -基于易于擴(kuò)展的布線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)FPGA的大規(guī)模化技術(shù) -基于非晶硅Si TFT技術(shù)的SRAM（3D化）技術(shù) | SiliconBlue Achronix Tabula Abound Logic Tier Logic | ||
| 2010s | 2000萬(wàn)（28nm）~5000萬(wàn)（20nm） | 28nm FPGA 20nm FPGA 16/14nm FinFET FPGA -新一代SOPD（現(xiàn)在的SoC，System on Chip） -動(dòng)態(tài)重配置FPGA -3D-FPGA（2.5D-FPGA） -車載FPGA -光FPGA | 臺(tái)積電28nm，20nm，16nm FinFET 3D晶體管技術(shù) Inter的14nm FinFET 3D晶體管技術(shù) -搭載ARM處理器的ZYNQ和Cyclone V SOC -動(dòng)態(tài)可重配置技術(shù)成標(biāo)配 -連接多個(gè)FPGA晶圓的2.5D-FPGA技術(shù) -符合車載AEC-Q100和ISO-26262規(guī)格的FPGA -Vivado高層次綜合工具OpenCL | Altera Xilinx |
| （壟斷產(chǎn)生） | 一些小的FPGA公司，如QuickLogic，Atmel等相繼推出市場(chǎng)，FPGA行業(yè)并購(gòu)活躍 | 主要的4家FPGA公司： -巨頭 Xilinx 和 Altera -老三和老四 Lattice 和 Actel | ||
| （大型并購(gòu)） | 面向數(shù)據(jù)中心和LoT市場(chǎng)的處理器成為主流，FPGA廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析，機(jī)器學(xué)習(xí)，虛擬化網(wǎng)絡(luò)，高性能計(jì)算等領(lǐng)域 | Microsemi并購(gòu)Actel Lattice并購(gòu)SiliconBlue Interl并購(gòu)Altera |
三. 幾個(gè)重要的名詞
PLD（Programmable Logic Device，可編程邏輯器件）是包括GAL，FPGA，PAL，CPLD，FPGA等器件在內(nèi)的所有用戶可將設(shè)計(jì)電路寫(xiě)入芯片的可編程邏輯器件的總稱。
SPLD（Simple PLD，簡(jiǎn)單可編程邏輯器件）是FPLA，PAL，GAL等門(mén)數(shù)量在1000以下的PLD的統(tǒng)稱，區(qū)別于后面集成度大的CPLD。
CPLD（Complex PLD，復(fù)雜可編程邏輯器件）是指將多個(gè)小規(guī)模的SPLD作為基本邏輯塊，再通過(guò)開(kāi)關(guān)連接而成的中大規(guī)模PLD，CPLD和SPLD一樣都是采用的AND-OR陣列結(jié)構(gòu)，不同的只是規(guī)模更大。CPLD邏輯部分的延時(shí)和開(kāi)關(guān)部分的延時(shí)比較固定，設(shè)計(jì)較容易，
CPLD與FPGA的差異：不同于CPLD的AND-OR陣列結(jié)構(gòu)，FPGA基于SRAM，通過(guò)組合使用器件內(nèi)大量邏輯塊來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶所需電路，自由度更高。現(xiàn)在，CPLD不管在集成度和速度上都差FPGA很多，各方面性能都被FPGA吊打，所以現(xiàn)在CPLD的定位是廉價(jià)的小規(guī)模PLD產(chǎn)品。
SRAM（Static Random-Access Memory，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）， 謂的“靜態(tài)”，是指這種存儲(chǔ)器只要保持通電，里面儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)就可以恒常保持。相對(duì)之下，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM，Dynamic RAM）里面所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)就需要周期性地更新。斷電后，SRAM和DRAM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都會(huì)丟失。 SRAM的基本特點(diǎn)是速度快但昂貴。
ROM，PROM，EPROM，EEPROM，FLASH：
| ROM | Read-Only Memory，只讀存儲(chǔ)器，通過(guò)掩膜工藝將代碼和數(shù)據(jù)永久保存，這種技術(shù)成本低但風(fēng)險(xiǎn)大，實(shí)際中很少使用 |
| PROM | Programmable ROM，可編程只讀存儲(chǔ)器，出廠后只允許用戶寫(xiě)入一次 |
| EPROM | Erasable PROM，可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器，用紫外線照射可擦除存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，擦除后可再編程。缺點(diǎn)是擦除時(shí)間長(zhǎng)，還麻煩（要紫外線） |
| EEPROM | Electrically EPROM，電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器，使用電信號(hào)即可擦除，缺點(diǎn)是重編程時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)可重編程次數(shù)較少 |
| FLASH | 閃存，EEPROM的改進(jìn)版，最大特點(diǎn)是必須按塊（Block)進(jìn)行擦除（不同廠家的塊規(guī)格不同），而EEPROM一次可只擦除一個(gè)字節(jié)。因?yàn)樽霾坏街徊脸龁蝹€(gè)字節(jié)，所以FLASH ROM不能替代RAM。優(yōu)點(diǎn)是速度快，耗電低。 |
四. FPGA發(fā)展總結(jié)
FPGA最初由Xilinx公司發(fā)明，基本架構(gòu)由可編程邏輯塊、I/O單元和連線構(gòu)成。區(qū)別于專用芯片，FPGA是一種半定制芯片，用戶可以將設(shè)計(jì)電路寫(xiě)入芯片使其完成特定功能。隨著芯片制程的發(fā)展，FPGA內(nèi)部邏輯門(mén)數(shù)量從最初的幾百到幾千，發(fā)展到現(xiàn)在的幾千萬(wàn)，FPGA的集成度越來(lái)越高；從最初的速度不及CPLD，到1990s后期開(kāi)始超過(guò)CPLD，再到現(xiàn)在全方面碾壓CPLD，FPGA的速度越來(lái)越快；FPGA內(nèi)部集成的運(yùn)算單元從最初的DSP塊，到處理器軟核，到現(xiàn)在的ARM硬核，FPGA在向著SOC的方向發(fā)展，靈活性越來(lái)越高。現(xiàn)今，憑借著天生的并行計(jì)算能力，靈活性等各種顯著優(yōu)勢(shì)，FPGA已人工智能，大數(shù)據(jù)，云計(jì)算等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
五. 參考
中國(guó)大學(xué)慕課中北京化工大學(xué)何賓老師課程《EDA原理與應(yīng)用 》
《FPGA原理與結(jié)構(gòu)》第一章 日本 田野英晴主編， 趙謙譯
總結(jié)
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