FPGA成為許多新時代應用的首選平臺

在技術和基礎設施的快速進步的推動下，全球的處理和帶寬需求不斷增長。這種增長要求提高設計可定制性、數(shù)據(jù)和設計安全性，并限制功耗和占用空間預算。FPGA 在提供這些功能方面發(fā)揮著越來越重要的作用。它們提供了構建自定義可編程整體解決方案的選項，使用單個設備降低了擁有成本，同時提供具有補充功能的擴展功能。

FPGA 的主要采用者示例包括高速光網絡，在邊緣具有嵌入式應用，例如監(jiān)控、醫(yī)學成像和工業(yè)視覺以及無人機 （UAV） 監(jiān)控。

概述

本文回顧了FPGA在半導體行業(yè)的發(fā)展及其持續(xù)發(fā)展，成為許多現(xiàn)代應用的青睞選擇。它討論了 FPGA 架構的類型、功能的多樣性，然后概述了市場上可用的選項，使您能夠將 FPGA 用于即將到來的設計。

FPGA的開端

FPGA開發(fā)于1985年，旨在滿足那些希望在沒有完全定制設計投資需求的情況下設計復雜電路的設計人員。FPGA 行業(yè)從其前身可編程邏輯器件 （PLD） 和可編程只讀存儲器 （PROM） 演變而來，提供編程靈活性，即使在部署后也能添加/修改功能。

到 1990 年代中期，F(xiàn)PGA 已經顛覆并改變了半導體行業(yè)。雖然網絡和電信是當時最大的受益者，但FPGA因其獨特的優(yōu)勢（包括產品過時風險低、快速原型設計和易于調試）而在各種應用市場中廣受歡迎。FPGA現(xiàn)在在電信、消費電子、汽車和工業(yè)市場以及更經典的軍事、航空航天和國防領域家喻戶曉。

發(fā)展與進步

復雜可編程邏輯器件（CPLD）通常是基于EEPROM的可編程邏輯器件，具有簡單的架構和少量的門數(shù)。它是不需要靈活性和廣泛計算能力的簡單設計的理想選擇。由于其基于EEPROM的結構，它具有在上電時工作的優(yōu)勢。但是，對 CPLD 進行設計修改可能很乏味。FPGA 是一種可重新配置的集成電路 （IC），用于實現(xiàn)復雜的邏輯功能，支持多個系統(tǒng)實現(xiàn)和修訂。它可以實現(xiàn)像門一樣簡單或像多核處理系統(tǒng)一樣復雜的任何東西。市場上的大多數(shù)FPGA都是由易失性RAM制成的，這意味著上電后需要額外的內存才能開始運行。

Microchip的FPGA的獨特之處在于它們由基于閃存的非易失性存儲器制成。這種即時啟動技術使其功耗比競爭 FPGA 低 30% 至 50%。它們還提供抗輻射性和獨特的安全功能，包括防止過度構建和克隆、全設計 IP 保護、根信任、安全的數(shù)據(jù)通信和防篡改功能。

許多人爭論的一個熱門話題是如何在FPGA和處理器之間進行選擇。答案歸結為您的應用程序要求和權衡限制。雖然處理器相對易于使用和編程，但它們大多提供順序編程并具有速度限制。另一方面，F(xiàn)PGA可以被視為復雜的設備，但提供高速并行計算環(huán)境，這在現(xiàn)代應用中越來越需要。當然，我們現(xiàn)在有辦法將處理器內核與FPGA相結合，以優(yōu)化邊緣計算、智能視覺和物聯(lián)網（IoT）等當前應用設計的性能和速度。

Microchip的PolarFire?片上系統(tǒng)（SoC）FPGA就是這樣一款器件，它是第一款具有確定性、連貫性RISC-V CPU集群和確定性L2內存子系統(tǒng)的SoC FPGA，支持Linux和實時應用。PolarFire SoC FPGA 非常適合在成像、人工智能/機器學習 （AI/ML）、物聯(lián)網、工業(yè)自動化、汽車、航空航天和國防、有線接入網絡和蜂窩基礎設施等廣泛應用中實現(xiàn)安全、節(jié)能的計算。

FPGA 通常被認為是復雜的設備，對于沒有 FPGA 開發(fā)經驗的人來說是不可能的。與這種看法相反，開始使用FPGA從未如此簡單。市場上有廣泛的內容和材料，面向FPGA初學者。其中大多數(shù)由領先的FPGA制造商，F(xiàn)PGA分銷商和其他第三方提供。在線學術平臺還提供圍繞FPGA的專業(yè)設計課程。此外，對于沒有FPGA經驗的專業(yè)嵌入式設計人員來說，Microchip推出了Hello FPGA套件，這是一種低成本、緊湊、多功能的硬件，可作為熟悉FPGA的簡單工具。Hello FPGA可用于開發(fā)從簡單控制邏輯到數(shù)據(jù)采集、圖像處理、信號處理和AI應用的應用。

如今，F(xiàn)PGA 具有不同的形狀和尺寸，可滿足廣泛的應用需求，但在基本層面上，您必須在基于 SRAM 和基于閃存的 FPGA 之間進行選擇。該選項再次取決于應用程序設計的特定需求和可接受的折衷方案?；陂W存的FPGA確實具有低功耗、抗輻射性和固有安全特性等額外優(yōu)勢，使其成為更廣泛應用的理想選擇，包括航空航天和國防等具有嚴格要求的應用。

如今，幾乎每個電子設備都面臨安全威脅。對于當今要求苛刻的應用來說，僅僅滿足其設計的功能要求是不夠的，它們必須以安全的方式做到這一點。安全性始于硅制造期間，并持續(xù)到系統(tǒng)部署和操作。FPGA也是如此。具體而言，基于 SRAM 的 FPGA 缺乏為安全嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)建可信且安全的硬件平臺所需的關鍵功能，因此容易受到克隆、復制和逆向工程的影響。敏感的客戶數(shù)據(jù)可能會暴露，嵌入式系統(tǒng)可能會受到損害。微型奇IP 將安全性視為重中之重，并通過確保硬件安全、設計安全性和數(shù)據(jù)安全，提供分層方法來保護知識產權 （IP）。

大多數(shù)市場中的應用都在不斷發(fā)展，對功耗和延遲施加了嚴格的限制，同時需要高計算能力。這些不斷變化的需求帶來的限制為專用計算硬件帶來了更多機會。FPGA 因其較低的延遲、可配置性和能效而成為許多此類應用的首選平臺。

結論

Microchip提供了廣泛的中低端密度FPGA產品組合，在低功耗、可靠性和安全性方面處于行業(yè)領先地位。使用 Microchip FPGA、SoC FPGA 和耐輻射 FPGA 進行設計，可以滿足應用所需的高帶寬連接和高數(shù)據(jù)吞吐量。無論您是在設計混合動力和電動汽車、通信系統(tǒng)、物聯(lián)網基礎設施、工業(yè)控制、工業(yè)自動化、航天器、商用飛機還是國防設備，Microchip 都能滿足您的需求。

審核編輯：郭婷