FPGA是什么 —— 它的工作原理及其用途

FPGA是什么？

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，簡(jiǎn)稱 FPGA）是一種集成電路（IC），可以開(kāi)發(fā)定制邏輯，用于快速原型設(shè)計(jì)和最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)。FPGA與其他定制或半定制的集成電路不同，其自身的靈活性使其可以通過(guò)下載軟件進(jìn)行編程和重新編程，適應(yīng)所設(shè)計(jì)的大型系統(tǒng)不斷變化的需求。FPGA非常適合當(dāng)今各類快速發(fā)展的應(yīng)用，如網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算、人工智能（AI）、系統(tǒng)安全、5G、工廠自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)。

為什么使用FPGA而不是其他類型的集成電路？

FPGA的主要優(yōu)勢(shì)在于其可編程架構(gòu)，它允許設(shè)計(jì)人員對(duì)器件進(jìn)行快速編程（和重新編程），以執(zhí)行幾乎任何功能。通過(guò)使用可下載的軟件更新，即使在FPGA集成到應(yīng)用中后，也可以實(shí)現(xiàn)這種可重新編程性（因此，“現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列”中的“現(xiàn)場(chǎng)可編程”由此得名）。這種固有的靈活性還有助于加快基于FPGA設(shè)計(jì)的上市，因?yàn)镕PGA的功能可以與整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)同步開(kāi)發(fā)或更改。

FPGA的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其并行處理能力。通過(guò)其架構(gòu)中的海量的門，F(xiàn)PGA能夠以并行方式處理數(shù)據(jù)，即同時(shí)執(zhí)行操作，而不是按順序執(zhí)行。這種處理方式更適合高性能計(jì)算應(yīng)用（如人工智能），以更低的時(shí)鐘速度、更低的功耗提供更高的性能。

其他類型的集成電路，如微控制器（MCU）、微處理器（MPU）、專用集成電路（ASIC）和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP），在部署時(shí)具有固定功能，采用串行方式（即一個(gè)接一個(gè)）運(yùn)行。缺乏可編程性會(huì)縮短系統(tǒng)部署后的使用壽命。串行處理會(huì)導(dǎo)致功耗增加，因?yàn)榧呻娐沸枰褂酶咚俚臅r(shí)鐘才能跟上處理工作量。這對(duì)于需要更高計(jì)算性能的應(yīng)用（如網(wǎng)絡(luò)邊緣人工智能，也需要支持低功耗運(yùn)行）來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題。

如何對(duì)FPGA進(jìn)行編程或配置？

FPGA需要進(jìn)行配置，這樣器件的邏輯電路和互連線資源才能知道它們?cè)趯?shí)現(xiàn)特定應(yīng)用時(shí)應(yīng)發(fā)揮什么作用。開(kāi)發(fā)人員使用專用軟件（一般由FPGA供應(yīng)商提供），通過(guò)圖形設(shè)計(jì)捕獲（一般用于較小的FPGA）或硬件描述語(yǔ)言（HDL）設(shè)計(jì)FPGA中要實(shí)現(xiàn)的邏輯。

然后，軟件通過(guò)綜合來(lái)“編譯”設(shè)計(jì)，之后根據(jù)最適合目標(biāo)FPGA對(duì)邏輯布局布線，然后軟件創(chuàng)建一個(gè)位流，用于配置（或編程）FPGA。位流下載到FPGA后，器件就可以執(zhí)行自定義的任務(wù)。

FPGA用在何處？

簡(jiǎn)而言之，無(wú)處不在。FPGA被廣泛應(yīng)用于不斷增長(zhǎng)的通信、計(jì)算、工業(yè)、汽車和消費(fèi)市場(chǎng)，包括人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）推理、數(shù)據(jù)協(xié)同處理、嵌入式視覺(jué)和安全系統(tǒng)控制等等。