FPGA现场可编程逻辑门阵列行业报告：万能芯片（33页）

行业报告下载 2022年06月27日 13:16 管理员

FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）是一种可通过重新编程来实现用户所需逻辑电路的半导体器件。FPGA 在专用 ASIC 的基础上发展而来，不但继承了 ASIC 的大规模、高集成度、高可靠性等优点，同时克服了一般 ASIC 设计周期长、投资大、灵活性差等缺点，是复杂数字硬件电路设计的首选。FPGA 主要由三部分组成：逻辑部分（逻辑块，Logic Block，简称 LB）、输入输出部分（I/O 块，Input/Output Block，简称 IOB）、布线部分（包含：布线通道、开关块（Switch Block，简称 SB）、连接块（Connection Block，CB）等）。虽然这三部分就可以实现任意逻辑电路，但实际中往往还需要一些其他电路，如时钟树、配置 /扫描链（configuration/scan chain）、测试电路等。此外，很多商用 FPGA 还包含处理器、块存储器、乘法器等固定功能的硬核电路。FPGA 中的逻辑部分，负责实现逻辑电路，实现方式有多种（乘积表、查找表和数据选择器等），一般由可以实现任意逻辑电路的可编程部分触发器（ Flip-Flop，FF）等数据存储电路和数据选择器组成；

输入输出部分，通过连接 I/O 引脚和内部布线，对外部进行信号输入输出，一般包含上拉、下拉、输入/输出的方向和极性、转换速率（slew rate）、开漏（open drain）等控制电路，以及触发器等数据存储电路，通常支持十余种规格输入/输出；布线部分，主要负责逻辑块相互之间以及逻辑块与 I/O 之间的连接，除了岛型构造外，还有多层构造、H-tree 构造等多种类型；其他部分，例如对逻辑块、I/O 块、开关块和连接块进行控制的配置存储单元以及配置链，以及时钟网络、扫描路径等。FPGA 设计流程是将开发者输入的需求、目标性能、约束条件、代码、框图、电路图等描述加上各种参数设定，使开发对象具象化的过程。一般的，基于 HDL 进行 RTL 描述的设计，大致流程包括：对 RTL 描述进行逻辑综合、技术映射、布局布线、生成配置，最后写入 FPGA 进行系统验证。民用方面，FPGA 在通讯、工业控制、人工智能等方面应用广泛。通信领域，在通讯协议经常变化和升级的情况下，市场很难快速推出成熟的 5G 的 ASIC 芯片，得益于可编程的灵活性以及低延时性，FPGA 具有独特优势。工业控制领域，FPGA 大量应用在视频处理、图像处理、数控机床等领域实现信号控制和运算加速功能。人工智能领域，FPGA 会与 CPU 搭配，把 CPU 的部分数据运算卸载至 FPGA，将部分需要实时处理/加速定制化的计算交由 FPGA 执行，起到 CPU 加速卡的作用。