FPGA的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)

FPGA由6部分組成，分別為可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核等。

每個單元簡介如下：

1.可編程輸入/輸出單元（I/O單元）

目前大多數(shù)FPGA的I/O單元被設(shè)計為可編程模式，即通過軟件的靈活配置，可適應(yīng)不同的電器標(biāo)準(zhǔn)與I/O物理特性;可以調(diào)整匹配阻抗特性，上下拉電阻;可以調(diào)整輸出驅(qū)動電流的大小等。

2.基本可編程邏輯單元

FPGA的基本可編程邏輯單元是由查找表（LUT）和寄存器（Register）組成的，查找表完成純組合邏輯功能。FPGA內(nèi)部寄存器可配置為帶同步/異步復(fù)位和置位、時鐘使能的觸發(fā)器，也可以配置成為鎖存器。FPGA一般依賴寄存器完成同步時序邏輯設(shè)計。一般來說，比較經(jīng)典的基本可編程單元的配置是一個寄存器加一個查找表，但不同廠商的寄存器和查找表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的差異，而且寄存器和查找表的組合模式也不同。

學(xué)習(xí)底層配置單元的LUT和Register比率的一個重要意義在于器件選型和規(guī)模估算。由于FPGA內(nèi)部除了基本可編程邏輯單元外，還有嵌入式的RAM、PLL或者是DLL，專用的Hard IP Core等，這些模塊也能等效出一定規(guī)模的系統(tǒng)門，所以簡單科學(xué)的方法是用器件的Register或LUT的數(shù)量衡量。

3.嵌入式塊RAM

目前大多數(shù)FPGA都有內(nèi)嵌的塊RAM。嵌入式塊RAM可以配置為單端口RAM、雙端口RAM、偽雙端口RAM、CAM、FIFO等存儲結(jié)構(gòu)。

CAM，即為內(nèi)容地址存儲器。寫入CAM的數(shù)據(jù)會和其內(nèi)部存儲的每一個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并返回與端口數(shù)據(jù)相同的所有內(nèi)部數(shù)據(jù)的地址。簡單的說，RAM是一種寫地址，讀數(shù)據(jù)的存儲單元;CAM與RAM恰恰相反。

除了塊RAM，Xilinx和Lattice的FPGA還可以靈活地將LUT配置成RAM、ROM、FIFO等存儲結(jié)構(gòu)。

4.豐富的布線資源

布線資源連通FPGA內(nèi)部所有單元，連線的長度和工藝決定著信號在連線上的驅(qū)動能力和傳輸速度。布線資源的劃分：

1）全局性的專用布線資源：以完成器件內(nèi)部的全局時鐘和全局復(fù)位/置位的布線;

2）長線資源：用以完成器件Bank間的一些高速信號和一些第二全局時鐘信號的布線（這里不懂什么是“第二全局時鐘信號”）;

3）短線資源：用來完成基本邏輯單元間的邏輯互連與布線;

4）其他：在邏輯單元內(nèi)部還有著各種布線資源和專用時鐘、復(fù)位等控制信號線。

由于在設(shè)計過程中，往往由布局布線器自動根據(jù)輸入的邏輯網(wǎng)表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件選擇可用的布線資源連通所用的底層單元模塊，所以常常忽略布線資源。其實布線資源的優(yōu)化與使用和實現(xiàn)結(jié)果有直接關(guān)系。

5.底層嵌入功能單元（書上舉了很多例子，不過這些東東要看具體哪個廠商的哪種型號的芯片上嵌有什么資源決定）

6.內(nèi)嵌專用硬核

與“底層嵌入單元”是有區(qū)別的，這里指的硬核主要是那些通用性相對較弱，不是所有FPGA器件都包含硬核。

FPGA在各行業(yè)的應(yīng)用分析

在芯片應(yīng)用行業(yè)，計算機(jī)和通訊是最大的兩個領(lǐng)域，而對于FPGA來說，應(yīng)用的第一大領(lǐng)域是通訊而不是計算機(jī)。PC機(jī)雖然數(shù)量及其巨大，但PC機(jī)里面沒有FPGA芯片，原因是PC機(jī)是一個高度標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，因此PC機(jī)里面所有芯片用ASIC實現(xiàn)不僅可行，而且是經(jīng)濟(jì)的。而服務(wù)器、大型機(jī)里面開始逐步在使用FPGA，主要用于大數(shù)據(jù)的協(xié)處理，目前量還不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法和通信產(chǎn)品使用的FPGA相比，但未來潛力很大，后面會做進(jìn)一步介紹。

通信產(chǎn)品可以從云、管、端層面來劃分，端不大適合使用FPGA，如前所述，因為FPGA功耗相對ASIC偏大，至于前段時間吵得沸沸揚揚的lattice FPGA芯片用于三星和蘋果7的手機(jī)案例，實屬特例，千萬不要認(rèn)為未來FPGA能大規(guī)模進(jìn)軍消費電子，從而使得FPGA市場規(guī)模將成倍甚至數(shù)十倍的增加，至少短期內(nèi)可能性不大。

通信行業(yè)講的云主要包括核心網(wǎng)及各種服務(wù)器中心，在大數(shù)據(jù)和云計算沒有規(guī)模應(yīng)用之前，核心網(wǎng)設(shè)備里面基本沒有FPGA，因為核心網(wǎng)所處理的協(xié)議其實非常標(biāo)準(zhǔn)化，變化不是太大，我們常見的2G-3G-4G以及即將到來的5G，其標(biāo)準(zhǔn)的核心部分實際上主要體現(xiàn)在物理層和邏輯層，而這些功能主要在管道（基站、基站控制、承載、傳輸?shù)犬a(chǎn)品）中實現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)變化快，各設(shè)備廠家為了搶占產(chǎn)品和技術(shù)的制高點，甚至在標(biāo)準(zhǔn)還未凍結(jié)之前就推出原型樣機(jī)甚至小批量，而這只有FPGA能做到。一般來講越往終端側(cè)靠近，設(shè)備的數(shù)量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心網(wǎng)側(cè)用的FPGA數(shù)量越少，但FPGA芯片的型號越高端，單片更貴。考慮量、價因素，最終還是基站側(cè)用的FPGA總價高。

為什么是基站（也可以說是管道）最適合用FPGA，而且總價最高。首先因為基站的量非常大，基站雖然和手機(jī)的量沒法比，但遠(yuǎn)多于核心網(wǎng)數(shù)量，據(jù)不完全統(tǒng)計，全球存量基站有數(shù)千萬（5G部署后，可能會輕松破億），每個基站里面有數(shù)塊到10數(shù)塊板子（根據(jù)配置不同而不同），除了電源和風(fēng)扇板子沒有FPGA芯片外，幾乎每塊板子都有FPGA芯片，有的還不止一顆。其次，基站里面用的FPGA型號也不會太低端，因為要處理復(fù)雜的物理協(xié)議、部分算法和邏輯控制，接口速率更是一個重要的考慮。一般來講，基站中的芯片價格在一百到數(shù)千元人民幣不等。價格過高比如幾千甚至上萬人民幣的芯片，最多在初期原型驗證用，不會大規(guī)模發(fā)貨。最后，基站主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)通信協(xié)議中物理層、邏輯鏈路層的協(xié)議部分，這部分內(nèi)容每年都在升級，而且也比較適合FPGA來實現(xiàn)，尤其是協(xié)議未完全凍結(jié)時，最適合FPGA來處理，因為可以通過升級FPGA版本來應(yīng)對協(xié)議變動，待協(xié)議完全凍結(jié)后，各設(shè)備廠家會逐步以ASIC來替代之前的FPGA，因為量達(dá)到一定程度后，ASIC的成本和功耗優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，而且大型設(shè)備商的ASIC化能力又非常強(qiáng)，因此FPGA在通信領(lǐng)域主要在初、中期應(yīng)用比例高，后期能被替代的都被ASIC替代了，只留下一些接口類的FPGA，這也是FPGA廠商必須要面對的一個現(xiàn)實。

除了通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA在安防和工業(yè)領(lǐng)域也存在大量應(yīng)用。在安防領(lǐng)域，視頻的編解碼比如MPEG和H.26x等協(xié)議基本由專用ASIC實現(xiàn)，但是前端的數(shù)據(jù)采集處理及部分控制邏輯可以由FPGA來處理，因為安防也是一個巨大的產(chǎn)業(yè)，因此，F(xiàn)PGA的用量也是非常可觀的。工業(yè)領(lǐng)域主要用FPGA的靈活性來做控制，而且主要是規(guī)模比較小的FPGA。此外，軍工和航天也是FPGA應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，軍工和航天對FPGA的可靠性要求更高，除了xilinx和altera有軍工產(chǎn)品外，microsemi（前actel）的anti-fuse工藝（一次編程，可以更好的抗干擾和抗輻射等）FPGA因其高可靠性，主要用于軍工航天產(chǎn)品。

FPGA未來幾年的發(fā)展趨勢

（1）技術(shù)層面

首先從技術(shù)上來看FPGA未來的發(fā)展，至少在幾年內(nèi)還是遵循摩爾定律的規(guī)則，工藝不斷升級，目前xilinx 16nm工藝的FPGA已經(jīng)成熟商用，altera被Intel收購后逐步會切到Intel的工藝上面來，現(xiàn)在也推出基于Intel 14nm工藝的Stratix 10等高端芯片。xilinx下一代產(chǎn)品會升級到7nm，重點應(yīng)該還是瞄準(zhǔn)通信和可能出現(xiàn)的新興行業(yè)如大數(shù)據(jù)處理等。可以預(yù)見的是，未來5年內(nèi)工藝升級仍然是FPGA發(fā)展的主要方向。

其次，要符合未來行業(yè)的應(yīng)用。FPGA市場定位一定是以下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢為依據(jù)的。在過去十幾年中，xilinx和altera、lattice等公司最重視華為、中興、愛立信等公司的需求，因為FPGA在通信行業(yè)的市場占據(jù)了他們營收的半壁江山，所以這些年FPGA公司的Marketing相對來說是比較好做的。曾經(jīng)有一次lattice的全球Marketing VP 來我這里進(jìn)行市場需求搜集，說這場會議是他最重視的，雖有恭維之詞，但我們確實給lattice創(chuàng)造了在他們公司單一芯片最大銷量的記錄。FPGA下一個應(yīng)用熱點，一定還是通信，從4G過度到5G，5G初期的量會很大，中后期逐步被ASIC化。另外可能大數(shù)據(jù)也會起來，畢竟FPGA協(xié)同CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理已經(jīng)在多家大公司得到了驗證，微軟bing團(tuán)隊用于搜索引擎處理的著名論文更是讓業(yè)界認(rèn)同F(xiàn)PGA在數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢，后面是逐步上量的過程。人工智能不會那么快上量，一來AI目前還剛起步，究竟是FPGA、GPU、CPU唱主角還在爭論中，ASIC商用更早。二來FPGA在AI領(lǐng)域并沒有真正成功的商用案例，從開始商用到最后上規(guī)模需要比較長的時間。但是一旦FPGA在AI應(yīng)用成為共識，其市場潛力極其巨大，也許會使得FPGA市場這個盤子迅速突破徘徊多年的4、50億美金。因為AI和行業(yè)密切相關(guān)，這決定了AI行業(yè)會有大量的中小公司，不像通訊設(shè)備行業(yè)這樣集中到幾個大公司，這些小公司沒有使FPGA 成為ASIC的能力，可能自始至終都是用FPGA，即使強(qiáng)大到如BAT，在其利潤非常可觀的情況下，也未必會很快啟動自己的ASIC設(shè)計來替代FPGA，因此如果AI行業(yè)中會大規(guī)模使用FPGA，F(xiàn)PGA行業(yè)規(guī)模將會得到快速增長。

（2）商業(yè)層面

芯片行業(yè)并購是這幾年的主旋律，一方面是巨頭們在某些細(xì)分領(lǐng)域遭遇到中小公司強(qiáng)有力的競爭，使得他們的利潤率收到影響，收購可以減少競爭，維持一定的寡頭利潤。另一方面行業(yè)競爭使得巨頭們需要抱團(tuán)取暖，豐富自己的產(chǎn)品線以進(jìn)軍廣泛的市場，如avago收購博通成立新的博通。還有的收購是為了增強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)，很顯然，Intel 花160多億美金收購altera不是為了獲得altera在通信市場的份額，而是和自己的cpu在云計算、大數(shù)據(jù)處理方面的協(xié)同增效，以維持Intel在未來新興行業(yè)的霸主地位。這樣一來，xilinx可能會比較被動，雖然在云計算、大數(shù)據(jù)處理方面xilinx也推出相應(yīng)的解決方案，而且也有下游巨頭落地的案例，但是如果Intel 在市場上占據(jù)了主導(dǎo)，它一定會通過各種方式給xilinx設(shè)置相應(yīng)的門檻，比如FPGA和Cpu之間自定義接口，或者牽頭制定相關(guān)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等。xilinx未來是否也會走和altera相同的路還不好說，畢竟能買得起xilinx的芯片巨頭一只手都能數(shù)的過來，而且還要有相關(guān)性，這個范圍就更小了，讓我們拭目以待。

國內(nèi)FPGA與美國FPGA差距

FPGA是可編程邏輯器件，可以理解為萬能芯片，有人理解為芯片界的橡皮泥，目前這個市場被美國四家公司壟斷，一直是我們的短板。

2017年，有中國背景的一家私募股權(quán)基金，想偷偷去收購美國的萊迪斯，結(jié)果被特朗普叫停，看來美帝的警惕心很強(qiáng)啊，捷徑還是走不通啊。

但是我們有沒有FPGA呢？答案是有，而且還有好幾家。美國壟斷了99%，剩下的全世界瓜分，然后我們在這1%里，要是四舍五入精確到個位，當(dāng)然是0%。

國內(nèi)的FPGA公司有京微雅格、復(fù)旦微電子、高云FPGA、同方國芯、上海安路、西安智多晶微等，但是由于要從美國四大公司牙縫里搶食，能生存下來已經(jīng)實屬不易。

從SWOT分析當(dāng)前國內(nèi)發(fā)展FPGA的前景

（1）首先說優(yōu)勢。相比較xilinx和altera，國產(chǎn)FPGA廠商目前基本沒有絕對優(yōu)勢，只有比較優(yōu)勢，比如起點高，再也不用從微米級技術(shù)開始做起，一開始就從幾十納米進(jìn)入，工藝差距可以縮小到2-3代的水平。另外，中國是FPGA芯片的應(yīng)用大國，國產(chǎn)FPGA有本土化的各種優(yōu)勢，比如對中小客戶需求的理解等比國外巨頭要更接地氣等。

（2）劣勢的話很明顯，從專利、技術(shù)產(chǎn)品到人才及市場品牌等，國產(chǎn)FPGA廠商都和國外巨頭存在很大的差距。

（3）再說機(jī)會，當(dāng)前中國廠商面臨的機(jī)會比較多，因為從國家層面來看已經(jīng)把FPGA列為國家戰(zhàn)略芯片，政府在這個領(lǐng)域的投入可能會逐步增加，雖然政府直接主導(dǎo)這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展未必是好的方式，但是給予民營企業(yè)各方面的支持卻是非常重要的。另外，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國的企業(yè)能吸引到更多更優(yōu)秀的國際化人才加入，尤其是一些高端的FPGA領(lǐng)軍人才，對一個企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。最后，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)等新興行業(yè)的發(fā)展，F(xiàn)PGA市場容量可能會出現(xiàn)大規(guī)模的增長。

（4）最后說威脅。說道威脅，專利是一個。當(dāng)中國企業(yè)還很弱小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)對國際巨頭構(gòu)不成競爭的時候，這個風(fēng)險還不大，如果已經(jīng)形成競爭關(guān)系的時候，可能巨頭們就會拿起專利武器來捍衛(wèi)自己的利益，如同中興、華為在發(fā)展過程中遇到的問題一樣，這就要求中國的FPGA廠商要苦練內(nèi)功，在專利和技術(shù)方面踏踏實實做好積累，以應(yīng)對將來可能出現(xiàn)的專利戰(zhàn)以及國際化，否則即使能做出產(chǎn)品，可能也走不遠(yuǎn)。

總體來看，雖然目前中國在FPGA這個領(lǐng)域比國外的主流廠商還存在很大差距，但是考慮到中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合國力的增強(qiáng)以及政府對芯片產(chǎn)業(yè)的高度重視，還有這個市場可能出現(xiàn)的大幅增長，中國的國產(chǎn)FPGA和國外主流廠商的差距會逐步縮小，雖然這個過程會比較長，但趨勢是無疑的。

近些年中國陸陸續(xù)續(xù)誕生了一些FPGA廠商，如京微雅閣、安路、同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體等公司，都先后推出自己的FPGA芯片，有的已經(jīng)在商用，有的在大公司進(jìn)行樣品認(rèn)定和試驗項目，這是一個很好的信號。在今年的“IC-CHINA 2017”大會中，高云發(fā)布了3款新品，不僅發(fā)布了集成ARM3的SOC FPGA，還有基于55nm SRAM工藝的“晨熙”系列和基于55nm嵌入式Flash+SRAM的“小蜜蜂”4個系列11款產(chǎn)品，基本覆蓋了lattice 70%~80%左右的產(chǎn)品，特別是小蜜蜂系列，對應(yīng)lattice 的XO2/XO3，對其形成強(qiáng)有力的替代競爭優(yōu)勢。另外，高云28nm的產(chǎn)品已經(jīng)在研發(fā)中，預(yù)計2019年左右推出。目前高云FPGA芯片累計出貨量即將達(dá)到200萬片，對于一個成立才3年左右的公司，這個發(fā)展是相當(dāng)迅速的，如果芯片的良率在應(yīng)用中得到逐步提高，芯片可靠性得到了用戶的認(rèn)可，這將會對國外廠商產(chǎn)生很大的沖擊。與此同時，安路也發(fā)布了它最新55nm的第二代“小精靈”ELF2系列高性能低功耗和內(nèi)嵌MCU的SOC FPGA，向國外廠家的中低端產(chǎn)品發(fā)起了挑戰(zhàn)。

回頭看中國每個發(fā)展得不錯的行業(yè)，基本都遵循一個邏輯，先是從低端開始突破，對國外同類產(chǎn)品進(jìn)行替代，在行業(yè)站穩(wěn)了腳跟之后，開始持續(xù)改進(jìn)，不斷提升自己的技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)以及專利積累等，到了一定階段之后可以在細(xì)分領(lǐng)域里面創(chuàng)造一些需求，以不斷向高端進(jìn)軍，最終在行業(yè)里面的高端占有一席之地。中國通訊制造業(yè)、高鐵制造等都是遵循這個邏輯發(fā)展的。 “低端突破-》持續(xù)改進(jìn)-》創(chuàng)造需求-》高端引領(lǐng)” 是中國各個行業(yè)發(fā)展的必由之路。對于FPGA行業(yè)來說，也完全可以按照這個思路發(fā)展。