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我尽一杯，与君发三愿：一愿世清平，二愿身强健，三愿临老头，数与君相见。——《白居易》全面解析 FPGA 基础知识FPGA (Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列。它是在 PLA、PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。1、 FPGA 简介FPGA 普遍用于实现数字电路模块，用户可对 FPGA 内部的逻辑模块和 I/O 模块重新配置，以实现用户的需求。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。可以毫不夸张的讲，FPGA 能完成任何数字器件的功能，下至简单的 74 电路，上至高性能 CPU ，都可以用FPGA 来实现。FPGA 如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法 ，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。2、FPGA 发展史FPGA 的发展历史如下图所示。相对于 PROM、PAL/GAL、CPLD 而言 ，FPGA 规模更大性能更高。 良辰美景奈何天，便赏心乐事谁家院。则为你如花美眷，似水流年。——《汤显祖》 常将有日思无日，莫待无时思有时。——《增广贤文》图 1 FPGA 发展史FPGA 芯片主流生产厂家包括 Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi ，其中前两家的市场份额合计达到 88%。目前 FPGA 主流厂商全部为美国厂商。国产 FPGA 由于研发起步较美国晚至少 20 年，目前还处于成长期，仅限于低端，在通信市场还没有成熟应用。2015 年 12 月，Intel 公司斥资 167 亿美元收购了 Altera 公司。Altera 被收购后不久即制定了英特尔处理器与 FPGA 集成的产品路线图。这两种产品集成的好处是可以提供创新的异构多核架构，适应例如人工智能等新市场的需求，同时能大幅缩减功耗。 人之为学，不日进则日退，独学无友，则孤陋而难成；久处一方，则习染而不自觉。——《顾炎武》 古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。——苏轼图 2 FPGA 在电信领域的应用历史FPGA 在航天、军工、电信领域有非常成熟和广泛的应用。以电信领域为例，在电信设备一体机阶段，FPGA 由于其编程的灵活性以及高性能被应用网络协议解析以及接口转换。在 NFV(NetworkFunction Virtualization 阶段，FPGA基于通用服务器和 Hypervisor实现网元数据面 5 倍的性能提升，同时能够被通用 Openstack 框架管理编排。在云时代，FPGA 已经被作为基本 IaaS 资源在公有云提供开发服务和加速服务，AWS、华为、 BAT 均有类似通用服务提供。截至目前， Intel 的 Stratix 10 器件已被成功应用于微软实时人工智能云平台Brainwave 项目。3、两家主流 FPGA 公司发展近况Xilinx 聚焦芯片领先和丰富的加速解决方案 ，通过开放策略获得主流云平台支持 ，确立了其在数据中心的领先地位。其 UltraScale+系列 FPGA 领先友商 1 年多 ，使其在云平 一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。——《增广贤文》 谋事在人，成事在天！——《增广贤文》台竞争中占领先机，其 VU9P 器件被大量应用于包括 AWS、Baidu、Ali、Tencent 及华为在内的多家公司的云计算平台。为满足加速器领域对 FPGA 芯片日益递增的性能需求，Xilinx 已发布面向数据中心的下一代 ACAP 芯片架构、推出 7nm Everest 器件。此器件已不属于传统的 FPGA ，它集成了 ARM、DSP、Math Engine 处理器阵列等内核，将于 2019 年量产。相较于 VU9P ，Everest支持的 AI 处理性能将能提升 20 倍。Intel 则提供从硬件到平台到应用的全栈解决方案，不开放硬件和平台设计以避免生态碎片化，投入巨大但进展缓慢。图 3 Xilinx 产品系列图图 4 Intel(以 Stratix 系列为例)产品工艺年代FPGA 在数据中心服务器市场的实际应用中存在一定技术难点 ，具体包括如下几方面 ： 非淡泊无以明志，非宁静无以致远。——诸葛亮 非淡泊无以明志，非宁静无以致远。——诸葛亮1、编程门槛较高：硬件描述语言不同于软件开发语言，需要开发者对底层硬件有着较深刻的认识;因此人才也就成为限制 FPGA 应用的一个重要因素。据了解，目前国内从事FPGA 开发的人员初步估计大约两万多人。2、集成难度较大：FPGA 开发与应用需要软硬件的协同，包括使用高级语言的系统建模、硬件代码(电路)设计、硬件代码仿真、底层驱动软件与硬件逻辑的联调等等。3、开发周期相对软件要长：硬件开发比软件开发过程复杂，调试周期也被拉长。4、很难获取独立逻辑 IP。4、FPGA 整体结构FPGA 架构主要包括可配置逻辑块 CLB(Configurable Logic Block)、输入输出块IOB(Input Output Block)、内部连线(Interconnect)和其它内嵌单元四个部分。CLB 是 FPGA 的基本逻辑单元。实际数量和特性会依器件的不同而改变 ，但是每个 CLB都包含一个由 4 或 6 个输入、若干选择电路(多路复用器等)和触发器组成的可配置开关矩阵。开关矩阵具有高度的灵活性 ，经配置可以处理组合型逻辑、移位寄存器或 RAM。FPGA 可支持许多种 I/O 标准 ，因而可以为系统设计提供理想的接口桥接。FPGA 内的 I/O 按 bank 分组 ，每个 bank 能独立支持不同的 I/O 标准。目前最先进的 FPGA 提供了十多个 I/O bank ，能够提供灵活的 I/O 支持。CLB 提供了逻辑性能 ，灵活的互连布线则负责在 CLB 和 I/O 之间传递信号。布线有几种类型 ，从设计用于专门实现 CLB 互连(短线资源)、到器件内的高速水平和垂直长线(长 百学须先立志。——朱熹 吾日三省乎吾身。为人谋而不忠乎？与朋友交而不信乎？传不习乎？——《论语》线资源)、再到时钟与其它全局信号的全局低 skew 布线(全局性专用布线资源)。一般，各厂家设计软件会将互连布线任务隐藏起来，用户根本看不到，从而大幅降低了设计复杂性。内嵌硬核单元包括 RAM、DSP、DCM(数字时钟管理模块)及其它特定接口硬核等，FPGA 器件内部结构如下示意图。图 5 FPGA 器件内部结构图一般来说，器件型号数字越大，表示器件能提供的逻辑资源规模越大。在 FPGA 器件选型时，用户需要对照此表格，根据业务对逻辑资源(CLB)、内部 BlockRAM、接口(高速Serdes 对数)、数字信号处理(DSP 硬核数)以及今后扩展等多方面的需求，综合考虑项目最合适的逻辑器件。5、FPGA 开发流程 人不知而不愠，不亦君子乎？——《论语》 勿以恶小而为之，勿以善小而不为。——刘备FPGA 的设计流程就是利用 EDA 开发软件和编程工具对 FPGA 芯片进行开发的过程。FPGA 的开发流程一般如下图所示，包括功能定义/器件选型、设计输入、功能仿真、逻辑综合、布局布线与实现、编程调试等主要步骤。1、功能定义/器件选型：在 FPGA 设计项目开始之前，必须有系统功能的定义和模块的划分，另外就是要根据任务要求，如系统的功能和复杂度，对工作速度和器件本身的资源、成本、以及连线的可布性等方面