一、FPGA簡介：

FPGA誕生于1984年，是一種特殊的邏輯芯片，屬于半定制化、可編程芯片。它允許用戶可以隨時定義芯片的硬件功能。通過開放芯片內(nèi)部的邏輯塊、連線、I/O 等資源給用戶配置，使得同一片 FPGA 既可以在 5G 的基站實現(xiàn)信道編碼的功能，也可以重新配置后立即應(yīng)用在工業(yè)機床、醫(yī)療器械等設(shè)備上，因此FPGA 也被稱為“萬能”芯片。

FPGA 由可編程邏輯塊、可編程連線和可編程 I/O 三大部分組成。

1）可編程邏輯塊是 FPGA 架構(gòu)中最重要的部分，負(fù)責(zé)承載主要的電路功能?？删幊踢壿媺K中最重要的兩塊“積木”就是 LUT（Look-up Table，查找表）和寄存器。每個邏輯單元包括 1 個 LUT4、若干個多路復(fù)用器（MUX） 和 1 個寄存器，可完成時序電路和組合電路，代表 FPGA 的基礎(chǔ)容量?？删幊踢壿媺K本質(zhì)上由多個 LUT、MUX 和寄存器構(gòu)建而成，用于承載電路中的一個個邏輯“門”。現(xiàn)代 FPGA 中往往有數(shù)十萬個邏輯 塊，彼此既可前后相連，也可同時獨立地處理 IO 輸入的信號，不需要耗費時間處理控制指令，這是 FPGA 并行性好的原因。

2）可編程連線負(fù)責(zé)聯(lián)通 FPGA 中的眾多模塊，以一種滿足時序約束的方式將這些邏輯塊以時延最優(yōu)的方式連在一起，共同構(gòu)成一個更大規(guī)模的電路，將目標(biāo)電路在 FPGA 上實現(xiàn)，它包含了三個最核心的步驟：

a） 映射（Mapping）：將電路的邏輯門映射到不同的 LUT 中，形成 LUT 級網(wǎng)表；?

b） 包裝（Packing）：將這些 LUT 放置到 CLB 中，形成 CLB 級網(wǎng)表；

c）布局&布線（Place-and-route）： 將 CLB 放置在合適的位置并彼此相連。

3）可編程 I/O 負(fù)責(zé)FPGA與外界交互，可以實現(xiàn)諸如將信號串行解串行、將信號延遲以對準(zhǔn)時鐘等更復(fù)雜的功能?？删幊?IO由 IOB 模塊（Input/output Buffer）和緊鄰的 IO 邏輯資源共同組成。負(fù)責(zé) FPGA 和外界的交互，可以對輸入和輸出信號做復(fù)雜的處理。FPGA 通常有幾百到上千個管 腳，除了時鐘、電源和配置的專用管腳外，大部分管腳負(fù)責(zé)引入或輸出信號。

百萬甚至千萬門級的電路通過可編程連線，將不同的邏輯單元連在一起，邏輯單元中的寄存器可以用作存儲單元，將組合邏輯的結(jié)果送到下一個組合電路的輸入端，整個電路就能像流水線一樣同時工作。

由于數(shù)據(jù)信號的處理和傳輸需要時間，時鐘信號的傳遞和變化也需要 時間，如果布局和連線的方式不合理，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)到達(dá)下一個寄存器的時間過晚或者過早，即數(shù)據(jù)采集失敗的情況。大型的電路往往有數(shù)十萬個 CLB 需要相連，這項復(fù)雜的工作需要由 FPGA 廠商專用的 EDA 工具負(fù)責(zé)。因為布局布線涉及 FPGA 的內(nèi)部具體 架構(gòu)，這是每家 FPGA 公司的機密，無法交給第三方完成，只能在 FPGA 公司的 EDA 上進行。

現(xiàn)代的 FPGA 是邏輯單元和諸如ARM、 DSP、收發(fā)器、CPU等固化單元的混合體，除了工藝制程和功耗外，評價 FPGA 的性能指標(biāo)可分為邏輯資源、IO資源和固化單元三大類，分別代表FPGA在容量、接口以及特定功能上的性能表現(xiàn)。而且傳統(tǒng)的LUT4 也逐漸提升到LUT6、LUT8甚至更高，將FPGA的容量轉(zhuǎn)化為門級規(guī)模數(shù)越來越困難。因此，在2000年后，國際上采用“邏輯單元數(shù)”作為基本容量指標(biāo)。

二、FPGA的特點和優(yōu)勢：

FPGA的特點：

（1）設(shè)計靈活：屬于硬件可重構(gòu)的芯片結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置數(shù)量豐富的輸入輸出單元引腳及觸發(fā)器；

（2）兼容性強：FPGA芯片可與CMOS、TTL等大規(guī)模集成電路兼容，協(xié)同完成計算任務(wù)；

（3）并行計算：FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)可按數(shù)據(jù)包步驟多少搭建相應(yīng)數(shù)量流水線，不同流水線處理不同數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)流水線并行、數(shù)據(jù)并行功能；

（4）適用性強：是專用電路中開發(fā)周期最短、應(yīng)用風(fēng)險最低的器件之一（部分客戶無需投資研發(fā)即可獲得適用FPGA芯片）；

（5）快速開發(fā)：FPGA芯片產(chǎn)品可快速切入應(yīng)用市場，具備不可替代性；

FPGA和通用CPU的對比：

CPU為通用型器件，F(xiàn)PGA架構(gòu)相對CPU架構(gòu)偏重計算效率，依托FPGA并行計算處理視覺算法可大幅提升計算速率，降低時延，計算速度可以提升數(shù)倍到數(shù)十倍。

FPGA與GPU對比：

（1）GPU計算峰值（10Tflops）顯著高于FPGA計算峰值（小于1TFlops）；

（2）GPU內(nèi)存接口帶寬優(yōu)于FPGA使用的DDR接口，可以滿足頻繁大數(shù)據(jù)量訪問內(nèi)存需求；

（3）GPU設(shè)計完成后無法改動硬件資源，F(xiàn)PGA可根據(jù)特定應(yīng)用編程硬件，具備強大的靈活性；

（4）FPGA平均功耗（10W）遠(yuǎn)低于GPU平均功耗（200W），可有效解決散熱問題；

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三、FPGA的應(yīng)用場景

FPGA適用領(lǐng)域：?

（1） 標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議/算法經(jīng)常更改的行業(yè)：需要支持可重構(gòu)的系統(tǒng)，例如，無線通信協(xié)議經(jīng)常更改、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)需要兼容多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法飛速迭代、軍工通信加密方式經(jīng)常變化、在軌航天器 的處理系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)等，類似的場景使用 FPGA 能夠節(jié)省大量的時間和研發(fā)成本；?

（2） 快速迭代、成本敏感的行業(yè)：因為“現(xiàn)場”可用，相比ASIC，F(xiàn)PGA無需等待三個月至一年的流 片周期，上市時間短，對于消費電子這類競爭激烈、迭代迅速的行業(yè)尤其重要，像 Lattice、賽靈思自2000年起都紛紛針對消費電子市場，推出了不少單顆$2.5上下的中低容量的FPGA；?

（3）小批量的行業(yè)：芯片研發(fā)階段的MASK（光罩）費用是固定費用，65nm一次需要200萬人民幣，28nm需要1000萬。隨著制程提升，一次不成功的風(fēng)險增大。對于年需 求量<500萬顆的場景，專門為某一應(yīng)用開發(fā)ASIC/ASSP，后續(xù)的銷售額很難攤平巨大的研發(fā)成本。FPGA雖然單價較高，但由于其可以實現(xiàn)任何電路功能，節(jié)省了芯片千萬級別的研發(fā)成本，特別適 合小批量的產(chǎn)品；

（4）反復(fù)修改驗證的設(shè)計：例如，在ASIC/ASSP的原型設(shè)計中幾乎都會使用FPGA進行驗證，以發(fā)現(xiàn) 設(shè)計中存在的問題，及時修改，盡可能避免多次流片的風(fēng)險。芯片原型仿真是FPGA的“剛需”之一， 亦是FPGA 誕生的根本原因，最高端的FPGA往往會銷售給英特爾這些大型的數(shù)字芯片公司，供其新一代產(chǎn)品的驗證，這一需求亦不斷支撐FPGA走在技術(shù)節(jié)點前列。

FPGA的主要應(yīng)用場景：

（1）通信行業(yè)的基站，無論是 RRU/AAU，還是 BBU/DU/CU，甚至核心網(wǎng)的設(shè)備，都需要用到 FPGA， 實現(xiàn)諸如 Turbo 編碼，協(xié)議處理加速等的功能。而在售價數(shù)十萬甚至百萬人民幣級別的無線信號測量儀器，同樣會用到單價上萬元的高端 FPGA 進行信號的處理控制；?

（2）國防軍工行業(yè)，典型場景如雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，需要滿足大容量、低延時、高可靠的特性，才能實現(xiàn)微秒級的處理需求，而這一時延和穩(wěn)定性要求只有 FPGA 能達(dá)到；在使用了光纖陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 同樣，F(xiàn)PGA 可以對光信號進行低延時控制，實現(xiàn)光纖陀螺儀高精度、高動態(tài)的測量；?

（3）工業(yè)：由于工業(yè)有大量的低時延場景，F(xiàn)PGA 在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用是非常廣泛的，常見于伺服電機驅(qū)動， 往往采取CPU+FPGA的架構(gòu)，以實現(xiàn)微秒級別的控制環(huán)路反饋/，像賽靈思Zynq系列（SoC FPGA） 在工業(yè)就擁有廣泛的應(yīng)用。此外，在激光設(shè)備中也使用 FPGA 進行皮秒/飛秒激光器的信號控制；?

（4） 汽車：典型的應(yīng)用在 ADAS 領(lǐng)域，這是由于 FPGA 比 GPU 時延更低，能保證更好的制動距離；除 此之外，F(xiàn)PGA 也應(yīng)用在行車后視鏡等場景；?

（5）安防&視頻：主要應(yīng)用在安防高清視頻的前端數(shù)據(jù)采集和低延時處理，在 LED 屏顯同樣應(yīng)用廣泛；?

（6）AI：深度學(xué)習(xí)的模型往往涉及大量的乘法和累加，特別適合使用 FPGA 并行計算，以加速訓(xùn)練速度。

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四，芯智云城FPGA芯片和方案資源

廣東高云半導(dǎo)體科技股份有限公司成立于2014年，是一家專業(yè)從事現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）研發(fā)與設(shè)計的國產(chǎn)FPGA高科技公司，致力于向客戶提供從芯片、EDA開發(fā)軟件、IP、開發(fā)板到整體系統(tǒng)解決方案的一站式服務(wù)。經(jīng)過多年的積累，高云半導(dǎo)體在FPGA芯片架構(gòu)、SOC芯片設(shè)計、FPGA集成EDA開發(fā)環(huán)境、FPGA通用解決方案等整個生態(tài)鏈均有核心自主知識，以及國內(nèi)外發(fā)明專利。

高云半導(dǎo)體已經(jīng)取得與現(xiàn)有市場國際巨頭同類產(chǎn)品媲美的高質(zhì)量、高可靠性FPGA產(chǎn)品，截止2021年，高云半導(dǎo)體實現(xiàn)三大系列：小蜜蜂（GW1N）、晨熙（GW2A）、ASSP GoBridge百余款FPGA及專用芯片在全球多個地區(qū)的規(guī)模量產(chǎn)，并已經(jīng)在汽車、工業(yè)控制、電力、通信、醫(yī)療、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。

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