FPGA是一种可以先购买后进行设计的多功能芯片。FPGA(现场可编程门阵列)是一种在硅片上预先设计的集成电路,具备可编程特性,能够根据设计者的需求灵活配置成特定电路结构,这使得客户不再需要依赖芯片制造商提供的ASIC芯片。FPGA广泛应用于原型验证、通信、汽车电子、工业控制、航空航天和数据中心等多个领域。
在评估FPGA产品时,可以从技术指标入手,Altera的LUT4架构FPGA主要有三个关键性能指标:制程、门级数和SERDES速率,同时配备的EDA软件工具也至关重要。FPGA的内部结构主要由可编程输入/输出单元(I/O)、可编程逻辑块(LC)、完整的时钟管理(CMT)、嵌入式块RAM(BRAM)、布线资源以及专用硬件模块等组成。根据赛灵思提供的数据,一个LUT6相当于1.6个LC,而一个LC则对应几十到上百个门,因此1000万个门大约等于10万个LC,属于100K CLB级别的FPGA。
与ASIC相比,客户在选择FPGA时不仅要关注硬件参数,配套的EDA软件性能同样重要。目前,国内高端FPGA产品在硬件性能指标上与赛灵思的高端产品仍存在较大差距。FPGA相较于ASIC有三个主要优势:1、灵活性更高;2、产品上市周期短,节省了ASIC的流片时间;3、在较小使用量时具备成本优势,避免了一次性工程费用。
1)灵活性:FPGA通过编程可以执行任何ASIC可以执行的逻辑功能,其灵活性使得在技术尚未成熟时,能够降低产品成本和风险,尤其在5G初期这一特点尤为重要。2)上市时间:FPGA在购买后可直接编程使用,无需等待长达一年的芯片流片周期,从而为企业赢得了宝贵的上市时间。3)成本:FPGA与ASIC的主要区别在于ASIC方案有固定成本,而FPGA几乎没有固定成本。在使用量较小时,FPGA方案因不需支付一次性的流片费用而表现出成本优势。随着使用量增加,FPGA的成本优势会逐渐减小,超过一定使用量后,ASIC因规模经济而在成本上更具优势。
4)技术趋势:制程迭代推动了FPGA在过去33年的发展,未来将朝着平台型产品方向发展。自1985年赛灵思推出首款FPGA产品以来,其容量提升了超过一万倍,速度提升了百倍,价格和能耗降低了千倍以上。得益于先进制程的迭代,FPGA架构不断更新。例如,1985年,赛灵思发布的XC2064采用2μm工艺,包含64个逻辑模块和85,000个晶体管,门数量不超过1000个。与之相比,2016年推出的VIRTEX UltraScale采用16nm制程,系统逻辑单元最高可达378万个。FPGA的制程迭代在提升计算能力的同时,降低了功耗和芯片面积,进一步推动了FPGA性能的提升。未来,制程迭代与平台产品将成为产品发展的主要方向,我们对先进制程为FPGA带来的性能提升充满期待,同时新的产品形态(平台型产品)的出现也为FPGA的性能提升提供了更多可能性。