FPGA的三個(gè)發(fā)展階段

導(dǎo)讀

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在AMD收購Xilinx之后，市場上關(guān)于FPGA的討論又多了起來。為此，我們分享一篇我們之前發(fā)過的文章，幫助大家了解一下FPGA這個(gè)已經(jīng)面世三十多年的產(chǎn)品。值得一提的，這篇文章由IEEE發(fā)表于較早以前，可能信息稍微有點(diǎn)滯后，僅供參考。

自引入以來，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的容量增加了10000倍以上, 性能增加了100倍. 單位功能的成本和功耗都減少了超過1000倍. 這些進(jìn)步是由工藝縮放技術(shù)所推動(dòng)的, 但是 FPGA 的故事比簡單縮放技術(shù)的更復(fù)雜. 摩爾定律的數(shù)量效應(yīng)推動(dòng)了FPGA在體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和方法方面發(fā)生質(zhì)的變化. 因此, FPGA 已經(jīng)經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段. 本文分別總結(jié)了發(fā)明、擴(kuò)張、累積這三個(gè)階段, 并討論了它們的驅(qū)動(dòng)壓力和基本特征. 本文最后展望了未來的FPGA階段.?

Xilinx 在1984年引入了第一個(gè)現(xiàn)場可編程門陣列(FPGAs), 盡管直到Actel在1988年普及這個(gè)術(shù)語它們才被稱為FPGAs. 在接下來的30年里，我們稱之為FPGA的設(shè)備的容量增加了1萬多倍，速度增加了100倍. 單位功能的成本和能耗降低了1000倍以上(見圖1).

圖1 Xilinx FPGA屬性相對于1988年。容量指邏輯細(xì)胞計(jì)數(shù)。速度指可編程織物的同功能性能。價(jià)格指每個(gè)邏輯單元。能量指每個(gè)邏輯單元。價(jià)格和能量按一萬倍放大。數(shù)據(jù)來源: Xilinx發(fā)表的數(shù)據(jù)。

這些進(jìn)步在很大程度上是由工藝技術(shù)驅(qū)動(dòng)的, 隨半導(dǎo)體的擴(kuò)展, 很容易把 FPGA 的進(jìn)化看成是一個(gè)簡單的容量發(fā)展. 這種看法太簡單了。FPGA 進(jìn)展的真實(shí)故事要有趣得多。 ? 自其引入以來, FPGA 設(shè)備經(jīng)過幾個(gè)不同的發(fā)展階段已取得進(jìn)展. 每個(gè)階段都受到工藝技術(shù)機(jī)會和應(yīng)用程序需求的驅(qū)動(dòng)。這些驅(qū)動(dòng)壓力引起設(shè)備特性和工具的可觀察變化。在本文中, 我們回顧了FPGA的三階段. 每個(gè)階段長達(dá)8年, 并且每一段在回顧中都很明顯。 ? 三個(gè)階段分別是: ? 1)發(fā)明階段, 1984–1991; 2)擴(kuò)張階段, 1992–1999; 3)累積階段, 2000–2007. ?

圖2. FPGA與ASIC交叉點(diǎn)。圖表顯示總成本與單位數(shù)量。FPGA線條較暗，從左下角開始。隨著下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的采用（從較早節(jié)點(diǎn)的虛線箭頭到稍后節(jié)點(diǎn)的實(shí)線箭頭），由垂直虛線表示的交叉點(diǎn)變大。

前言: 關(guān)于FPGA的重大問題有哪些？

A.FPGA ?VS ?ASIC

20世紀(jì)80年代，專用集成電路（ASIC）公司為電子市場帶來了一個(gè)驚人的產(chǎn)品：定制集成電路。到20世紀(jì)80年代中期，有數(shù)十家公司在銷售ASIC，在激烈的競爭中，成本低，容量大，速度快的技術(shù)更具受青睞。當(dāng)FPGA出現(xiàn)的時(shí)候，它在所有這幾個(gè)方面上都并不突出，但卻一枝獨(dú)秀。這是為什么？ ? ASIC的功能是由自定義掩模工具決定的。ASIC的客戶為這些掩模工具支付了前期的一次性工程(NRE)費(fèi)用。由于沒有定制的工具，F(xiàn)PGA降低了預(yù)付成本和建立定制數(shù)字邏輯的風(fēng)險(xiǎn)。通過制造一種可以被成百上千的客戶使用的自定義硅設(shè)備，F(xiàn)PGA供應(yīng)商可以有效地平攤所有客戶的NRE成本，從而不會對任何一個(gè)客戶收取任何費(fèi)用，又同時(shí)增加了每個(gè)客戶的單位芯片成本。 ?

前期的NRE成本確保了FPGA在某些數(shù)量上比ASIC更具成本效益。FPGA供應(yīng)商在他們的“交叉點(diǎn)”上吹噓這個(gè)數(shù)字，這個(gè)數(shù)字證明了ASIC的更高的NRE開銷。在圖2中，圖線顯示了購買數(shù)量單位的總成本。ASIC具有NRE的初始成本，并且每個(gè)后續(xù)單元將其單位成本增加到總數(shù)。FPGA沒有NRE電荷，但是每個(gè)單元的成本都比功能相當(dāng)?shù)腁SIC要高，因此斜率更陡峭。兩條線在交叉點(diǎn)相遇。如果所需的單元數(shù)量少于此數(shù)量，則FPGA解決方案便宜; 超過該數(shù)量的單位表明ASIC具有較低的總體成本。

? 由于NRE成本占ASIC總體擁有成本的很大一部分，所以FPGA每單位成本超過ASIC成本的優(yōu)勢隨著時(shí)間的推移而減少。圖2中的虛線表示某個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的總成本。實(shí)線表示下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的情況，NRE成本增加，但是每個(gè)芯片的成本較低。FPGA和ASIC都利用低成本制造，而ASIC NRE收費(fèi)繼續(xù)攀升，推高交叉點(diǎn)。最終，交叉點(diǎn)變得如此之高，以至于大多數(shù)客戶，單元的數(shù)量已經(jīng)不再適用于ASIC。定制芯片只保證非常高的性能或很高的體積; 所有其他人可以使用可編程解決方案。

? 摩爾定律最終將推動(dòng)FPGA能力覆蓋ASIC要求，這是對可編程邏輯業(yè)務(wù)的一個(gè)基本早期認(rèn)識。如今，器件成本在性能，上市時(shí)間，功耗，I / O容量以及其他功能方面都不如FPGA。許多ASIC客戶使用較老的工藝技術(shù)，降低了NRE成本，但降低了單芯片成本優(yōu)勢。 ? FPGA不僅消除了前期掩蔽費(fèi)用并降低庫存成本，而且通過消除整個(gè)類別的設(shè)計(jì)問題也降低了設(shè)計(jì)成本。這些設(shè)計(jì)問題包括晶體管級設(shè)計(jì)，測試，信號完整性，串?dāng)_，I / O設(shè)計(jì)和時(shí)鐘分配。 ? 與低前期成本和簡單設(shè)計(jì)一樣重要的是，主要的FPGA優(yōu)勢是即時(shí)可用性和降低的故障可見性。盡管大量的仿真時(shí)，ASIC第一次似乎很少是正確的。隨著晶圓制造周轉(zhuǎn)時(shí)間在幾個(gè)星期或幾個(gè)月內(nèi)，芯片重新調(diào)整對時(shí)間安排造成重大影響，而且隨著掩膜成本的上升，芯片重新調(diào)整對公司日益增長的水平而言是顯而易見的。錯(cuò)誤的高成本要求廣泛的芯片驗(yàn)證。由于FPGA可以在幾分鐘內(nèi)完成重做，因此FPGA設(shè)計(jì)不會因?yàn)殄e(cuò)誤而延誤數(shù)周。因此，驗(yàn)證不一定要徹底?！白晕夷７隆?，俗稱“下載試用”，可以代替大量的模擬。 ? 最后看一下ASIC生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)：ASIC公司只有在客戶的設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)時(shí)才賺錢。在20世紀(jì)80年代，由于開發(fā)過程中需求的變化，產(chǎn)品故障或完全設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，只有三分之一的設(shè)計(jì)實(shí)際投入生產(chǎn)。三分之二的設(shè)計(jì)損失了錢。這些損失不僅由ASIC客戶承擔(dān)，還由ASIC供應(yīng)商承擔(dān)，這些供應(yīng)商的NRE收費(fèi)很少包括他們的實(shí)際成本，從未在快速貶值的制造設(shè)施中彌補(bǔ)失去機(jī)會的成本。另一方面，可編程邏輯公司和客戶仍然可以小批量賺錢，并且可以快速糾正小的錯(cuò)誤，而不需要昂貴的掩模。 ?

圖3.通用PAL架構(gòu)。

B. FPGA ? VS ?PAL

可編程邏輯在FPGA之前就已經(jīng)建立起來了。在20世紀(jì)80年代早期，EPROM編程的可編程陣列邏輯（PAL）已經(jīng)開辟了一個(gè)市場。但是，F(xiàn)PGA具有體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。為了理解FPGA的優(yōu)勢，我們首先看看這些早期的80年代器件的簡單可編程邏輯結(jié)構(gòu)。一個(gè)PAL設(shè)備，如圖3所示，由一個(gè)兩級邏輯結(jié)構(gòu)組成。顯示輸入在底部。在左邊，一個(gè)可編程和陣列產(chǎn)生產(chǎn)品條款，以及輸入和它們的反轉(zhuǎn)的任何組合。右側(cè)塊中的固定或門完成宏單元產(chǎn)品術(shù)語的組合邏輯功能。每個(gè)宏單元輸出是芯片的輸出。宏單元中的可選寄存器并反饋到和陣列的輸入使得實(shí)現(xiàn)非常靈活的狀態(tài)機(jī)成為可能。

? 不是每一個(gè)功能都可以通過PAL的宏單元陣列實(shí)現(xiàn)一次，但是幾乎所有的常用功能都可以，而那些不可能通過陣列實(shí)現(xiàn)的功能。無論執(zhí)行的功能還是位于陣列中的位置，通過PAL陣列的延遲都是相同的。PAL具有簡單的擬合軟件，可將邏輯快速映射到陣列中的任意位置，而不會影響性能。PAL適配軟件可以從獨(dú)立的EDA供應(yīng)商處獲得，使IC制造商可以輕松地將PAL添加到他們的產(chǎn)品線中。

? 從制造的角度來看，PAL是非常有效的。PAL結(jié)構(gòu)與EPROM存儲器陣列非常相似，其中晶體管被密集地包裝以產(chǎn)生有效的實(shí)現(xiàn)。PAL與存儲器非常相似，許多存儲器制造商能夠用PAL來擴(kuò)展他們的產(chǎn)品線。當(dāng)周期性內(nèi)存業(yè)務(wù)出現(xiàn)停滯時(shí)，內(nèi)存廠商進(jìn)入可編程邏輯業(yè)務(wù)。

? 當(dāng)考慮縮放時(shí)，PAL的架構(gòu)問題是顯而易見的。在和陣列中的可編程點(diǎn)的數(shù)量隨著輸入數(shù)量的平方（更確切地說，輸入乘以乘積項(xiàng)）的平方增長。工藝縮放以收縮因數(shù)的平方來提供更多的晶體管。然而，陣列中的二次增加限制了PAL僅通過收縮因數(shù)線性增長邏輯。PAL輸入和產(chǎn)品期限也很重，所以延遲隨著尺寸的增加而迅速增長。像任何這種類型的存儲器，PAL都具有跨越整個(gè)芯片的字線和位線。隨著每一代，所編程的晶體管的驅(qū)動(dòng)與負(fù)載的比例下降。更多的投入或產(chǎn)品條款增加了這些線路的負(fù)載。增加晶體管尺寸以降低電阻也提高了總電容。為了保持速度，耗電量急劇上升。大型PAL在區(qū)域和性能上都是不切實(shí)際的。作為回應(yīng)，在20世紀(jì)80年代，Altera率先推出了復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD），由多個(gè)PAL型塊組成，其中較小的交叉開關(guān)連接。但FPGA具有更具可擴(kuò)展性的解決方案。 ?

圖4.通用陣列FPGA架構(gòu)。4 4陣列，每行和每列有三條接線軌跡。開關(guān)位于交叉點(diǎn)的圓上。設(shè)備輸入和輸出分布在陣列周圍。

FPGA的創(chuàng)新是消除了提供可編程性的數(shù)組和陣列。相反，配置存儲器單元分布在陣列周圍以控制功能和布線。這種改變放棄了PAL結(jié)構(gòu)的類似存儲器陣列的效率，有利于架構(gòu)的可擴(kuò)展性。如圖4所示，F(xiàn)PGA的架構(gòu)由一系列可編程邏輯塊組成，并與現(xiàn)場可編程開關(guān)互連。FPGA的容量和性能不再受到陣列的二次增長和布線布局的限制。并不是每一個(gè)功能都是芯片的輸出，所以容量可以隨著摩爾定律而增長。

? ?FPGA架構(gòu)看起來不像內(nèi)存。設(shè)計(jì)和制造與內(nèi)存非常不同。 ? ?邏輯塊較小。不能保證一個(gè)單一的功能可以融入其中。因此，提前確定將有多少邏輯適合FPGA是很困難的。

? ?FPGA的性能取決于邏輯放置在FPGA中的位置。FPGA需要布局和布線，所以完成的設(shè)計(jì)的性能不容易事先預(yù)測。
? ?需要使用復(fù)雜的EDA軟件來將設(shè)計(jì)融入FPGA。 ? 隨著陣列和陣列的消除，F(xiàn)PGA架構(gòu)師可以自由構(gòu)建任何邏輯模塊和任何互連模式。FPGA架構(gòu)師可以定義全新的邏輯實(shí)現(xiàn)模型，而不是基于晶體管或門，而是基于自定義功能單元。延遲模型不需要基于金屬線，而是基于節(jié)點(diǎn)和開關(guān)。這個(gè)架構(gòu)自由迎來了FPGA的第一個(gè)階段，即發(fā)明階段。 ?

發(fā)明階段 1984~1991

首款FPGA，即賽靈思XC2064，只包含64 個(gè)邏輯模塊，每個(gè)模塊含有兩個(gè)3輸入查找表 (LUT) 和一個(gè)寄存器。按照現(xiàn)在的計(jì)算，該器件有 64 個(gè)邏輯單元——不足 1000 個(gè)邏輯門。盡管容量很小，XC2064 晶片的尺寸卻非常大，比當(dāng)時(shí)的微處理器還要大；而且采用 2.5 微米工藝技術(shù)勉強(qiáng)能制造出這種器件。 ? 每功能的晶片尺寸和成本至關(guān)重要。XC2064 只有 64 個(gè)觸發(fā)器，但由于晶片太大，成本高達(dá)數(shù)百美元。產(chǎn)量對大晶片來說是超線性的，因此晶片尺寸增加 5% 就會讓成本翻一倍，讓良率降至零，同時(shí)也導(dǎo)致初期的賽靈思無產(chǎn)品可賣。成本控制不僅僅是成本優(yōu)化的問題；更是牽扯到公司生存問題。

? 在成本壓力下，F(xiàn)PGA 架構(gòu)師尋求通過架構(gòu)和工藝創(chuàng)新來盡可能提高 FPGA 設(shè)計(jì)效率。盡管基于 SRAM 的 FPGA 是可重編程的，但是片上 SRAM 占據(jù)了FPGA 大部分的晶片面積?；诜慈劢z的 FPGA 以犧牲可重編程能力為代價(jià)，避免了 SRAM 存儲系統(tǒng)片上占位面積過大問題。 ?

在20世紀(jì)80年代，賽靈思的四輸入LUT架構(gòu)被認(rèn)為是“粗粒度”的。四輸入功能被視為邏輯設(shè)計(jì)中的“甜蜜點(diǎn)”，但網(wǎng)表分析表明許多LUT配置未被使用。而且，許多LUT沒有使用投入。為了提高效率，F(xiàn)PGA架構(gòu)師希望能夠消除邏輯塊中的浪費(fèi)。幾家公司實(shí)現(xiàn)了包含固定功能的更細(xì)粒度的體系結(jié)構(gòu)，以消除邏輯單元浪費(fèi)。Algotronix CAL使用一個(gè)固定MUX功能實(shí)現(xiàn)雙輸入LUT 。Concurrent公司（后來的Atmel）和他們的被許可人IBM公司使用了一種小型單元，包括雙輸入nand和異或門和CL器件中的一個(gè)寄存器。皮爾金頓將其架構(gòu)作為邏輯塊作為邏輯塊。他們授權(quán)Plessey（ERA系列），Toshiba（TC系列）和Motorola（MPA系列）使用基于nand-cell的SRAM編程設(shè)備。細(xì)粒度架構(gòu)的極限是交叉點(diǎn)CLi FPGA，其中各個(gè)晶體管通過反熔絲可編程連接相互連接。

? 早期的FPGA架構(gòu)師指出，高效的互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該遵守集成電路的二維性。PAL的長而慢的線被相鄰塊之間的短連接代替，這些短連接可以根據(jù)需要通過編程串聯(lián)在一起以形成更長的路由路徑。最初，簡單的傳輸晶體管將信號引導(dǎo)通過互連段到相鄰的塊。接線效率高，因?yàn)闆]有未使用的導(dǎo)線部分。這些優(yōu)化極大地縮小了互連區(qū)域，并使FPGA成為可能。與此同時(shí)，由于大電容和通過晶體管開關(guān)網(wǎng)絡(luò)分布的串聯(lián)電阻，通過FPGA布線增加了信號延遲和延遲不確定性。由于互連線和交換機(jī)增加了尺寸，但不是（計(jì)費(fèi)）邏輯，所以FPGA架構(gòu)師不愿增加太多。早期的FPGA非常難以使用，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈ミB。 ?

發(fā)明階段回顧

在發(fā)明階段，F(xiàn)PGA很小，所以設(shè)計(jì)問題很小。雖然他們是可取的，綜合甚至自動(dòng)布局和路由不被認(rèn)為是必不可少的。許多人認(rèn)為，即使在當(dāng)時(shí)的個(gè)人電腦上嘗試設(shè)計(jì)自動(dòng)化也是不切實(shí)際的，因?yàn)樵诖笮陀?jì)算機(jī)上ASIC的布局和布線正在進(jìn)行。手動(dòng)設(shè)計(jì)，無論是邏輯的還是物理的，都是可接受的，因?yàn)閱栴}的規(guī)模很小。手工設(shè)計(jì)往往是必要的，因?yàn)樾酒系穆酚少Y源有限。 ? 完全不同的體系結(jié)構(gòu)排除了ASIC業(yè)務(wù)中可用的通用FPGA設(shè)計(jì)工具。FPGA供應(yīng)商為其設(shè)備增加了EDA開發(fā)的負(fù)擔(dān)。隨著FPGA供應(yīng)商嘗試并改進(jìn)其架構(gòu)，這最終被認(rèn)為是一個(gè)優(yōu)勢。過去十年的PAL制造商依靠外部工具供應(yīng)商提供軟件來將設(shè)計(jì)映射到他們的PAL中。因此，PAL供應(yīng)商僅限于工具供應(yīng)商支持的架構(gòu)，導(dǎo)致商品化，低利潤率和缺乏創(chuàng)新。在FPGA架構(gòu)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，PLD架構(gòu)被扼殺。

? 強(qiáng)制性軟件開發(fā)的另一個(gè)優(yōu)勢是，F(xiàn)PGA客戶不需要從第三方EDA公司購買工具，這會增加NRE成本。正如他們對NRE收費(fèi)一樣，F(xiàn)PGA供應(yīng)商將他們的工具開發(fā)成本分?jǐn)偟剿麄兊墓瓒▋r(jià)中，從而使他們的設(shè)備的前期成本非常低。無論如何，EDA公司對FPGA工具的興趣不大，因?yàn)槭袌龇稚?，?shù)量少，銷售價(jià)格低廉，而且需要在動(dòng)力不足的電腦上運(yùn)行。 ? 在發(fā)明階段，F(xiàn)PGA比用戶想要投入的應(yīng)用要小得多。因此，多FPGA系統(tǒng)變得流行起來，自動(dòng)化的多芯片分區(qū)軟件被確定為FPGA設(shè)計(jì)套件的重要組成部分。 ?

圖5. FPGA架構(gòu)系譜樹

FPGA回顧

發(fā)明的階段以在FPGA業(yè)務(wù)中的殘酷耗損而告終。第三節(jié)和在圖5的FPGA族譜里大部分的公司或產(chǎn)品名稱，一個(gè)現(xiàn)代讀者可能不會不知道。許多公司消失了。其他人在退出FPGA業(yè)務(wù)時(shí)悄然出售資產(chǎn)。這種損耗的原因不僅僅是正常的市場動(dòng)態(tài)。技術(shù)發(fā)生了重大變化，那些沒有利用這些變化的公司就無法進(jìn)行競爭。由于摩爾定律引起的數(shù)量變化導(dǎo)致了使用半導(dǎo)體技術(shù)構(gòu)建的FPGA的質(zhì)變。這些變化是擴(kuò)張階段的特征。

擴(kuò)張階段 1992~1999

到了20世紀(jì)90年代，摩爾定律繼續(xù)快速前進(jìn)，晶體管數(shù)量每兩年增加一倍。由于開創(chuàng)無晶圓廠商業(yè)模式，F(xiàn)PGA創(chuàng)業(yè)公司在二十世紀(jì)九十年代初通常無法獲得領(lǐng)先的硅技術(shù)。結(jié)果，F(xiàn)PGA開始落后于工藝引入曲線。在20世紀(jì)90年代，隨著代工廠意識到使用FPGA作為過程驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的價(jià)值，他們成為了過程領(lǐng)導(dǎo)者。一旦能夠用新技術(shù)生產(chǎn)晶體管和導(dǎo)線，代工廠就能夠構(gòu)建SRAM FPGA。FPGA廠商出售他們巨大的設(shè)備，而代工廠改進(jìn)他們的流程。新一代硅片的可用晶體管數(shù)量增加了一倍，這使可能最大的FPGA尺寸增加了一倍，而每個(gè)功能的成本也降低了一半。比簡單的晶體管縮放更重要的是，引入化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）允許鑄造廠堆疊更多的金屬層。由于昂貴的（不可消耗的）互連的成本比晶體管的成本下降得更快，F(xiàn)PGA供應(yīng)商積極地增加了設(shè)備上的互連以適應(yīng)更大的容量（參見圖6），這對于ASIC來說是有價(jià)值的。這個(gè)快速的改進(jìn)過程有以下幾個(gè)效果。 ?

圖6. FPGA LUT和互連導(dǎo)線的增長導(dǎo)線長度，以數(shù)百萬個(gè)晶體管間距進(jìn)行測量。 ?
A.區(qū)域變得珍貴 ? 在20世紀(jì)90年代中期沒有人加入FPGA行業(yè)，他們認(rèn)為成本不重要，或者地區(qū)不重要。但是，那些在20世紀(jì)80年代經(jīng)歷過產(chǎn)品開發(fā)痛苦的人當(dāng)然看到了差異。在20世紀(jì)80年代，晶體管的效率是必要的，以便交付任何產(chǎn)品。在20世紀(jì)90年代，這僅僅是一個(gè)產(chǎn)品定義的問題。面積仍然是重要的，但現(xiàn)在它可以被交易的性能，功能和易用性。所得到的器件的硅片效率較低。在幾年前的發(fā)明階段，這是不可想象的。 ? B.設(shè)計(jì)自動(dòng)化變得必不可少 ? 在擴(kuò)展階段，F(xiàn)PGA器件容量隨著成本的下降而迅速增長。FPGA應(yīng)用程序?qū)τ谑謩?dòng)設(shè)計(jì)而言變得太大。1992年，旗艦產(chǎn)品Xilinx XC4010交付了一個(gè)（聲稱）最多10000個(gè)門。到1999年，Virtex XCV1000被評為一百萬。在20世紀(jì)90年代早期，在擴(kuò)張階段開始時(shí)，自動(dòng)布局和路由是首選的，但不是完全可信的。到20世紀(jì)90年代末，自動(dòng)化綜合，布局布線，是設(shè)計(jì)過程中需要采取的步驟。沒有自動(dòng)化，設(shè)計(jì)的努力就會太棒了?，F(xiàn)在，F(xiàn)PGA公司的壽命取決于設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的目標(biāo)設(shè)備的能力。那些控制他們軟件的FPGA公司控制著他們的未來。 ?

圖7.更長線長分段性能縮放。

來自工藝縮放的更便宜的金屬導(dǎo)致更多可編程的互連線，使得自動(dòng)化的放置工具可以以較不精確的放置成功。自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具需要自動(dòng)化友好型架構(gòu)，具有常規(guī)和豐富的互連資源的架構(gòu)，以簡化算法決策。更便宜的電線也承認(rèn)了更長的電線分割，跨越多個(gè)邏輯塊的互連線。跨越多個(gè)塊的電線有效地使物理距離邏輯更接近邏輯，從而提高性能。圖7中的圖表顯示了來自工藝技術(shù)和互連范圍組合的大的性能收益。過程縮放本身會降低曲線，但保持形狀;更長的分割平坦了曲線。較長的分段互連簡化了布局，因?yàn)椴捎幂^長的互連，將兩個(gè)模塊精確對齊以將其與高性能路徑連接起來并不是必須的。

? 另一方面，當(dāng)線段的整個(gè)長度未被使用時(shí)，金屬跡線的部分被有效地浪費(fèi)。許多硅片效率的發(fā)明架構(gòu)是以布線效率為基礎(chǔ)的，其特點(diǎn)是短線可以消除浪費(fèi)。通常，他們嚴(yán)格遵循物理硅的二維限制，從而使這些FPGA成為“蜂窩”標(biāo)簽。在擴(kuò)展階段，更長的線分割是可能的，因?yàn)閺U金屬的成本現(xiàn)在是可以接受的。由最鄰近連接主導(dǎo)的體系結(jié)構(gòu)無法與利用較長線分割的體系結(jié)構(gòu)的性能或易于自動(dòng)化相匹配。 ? 類似的效率轉(zhuǎn)變應(yīng)用于邏輯塊。在發(fā)明階段，小的簡單的邏輯塊是有吸引力的，因?yàn)樗鼈兊倪壿嬔舆t很短，并且因?yàn)樵谖词褂没虿糠质褂脮r(shí)浪費(fèi)很少。當(dāng)一個(gè)三輸入函數(shù)在其中被實(shí)例化時(shí)，四輸入LUT中的一半配置存儲器單元被浪費(fèi)了。聰明的設(shè)計(jì)人員可以手動(dòng)將復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)映射到最小數(shù)量的細(xì)粒度邏輯塊，但自動(dòng)化工具并不成功。對于更大的功能，連接幾個(gè)小塊的需求對互連提出了更高的要求。在擴(kuò)張階段，不僅有更多的邏輯塊，而且塊本身變得更加復(fù)雜。

? 許多具有不規(guī)則邏輯塊和稀疏互連的高效發(fā)明架構(gòu)難以自動(dòng)布局和布線。在發(fā)明階段，這不是一個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)樵O(shè)備足夠小，手工設(shè)計(jì)是實(shí)用的。但擴(kuò)張階段的許多設(shè)備和公司都面臨著過高的面積效率?；谧钚』壿嬂速M(fèi)的細(xì)粒度體系結(jié)構(gòu)（如Pilkington nand-gate模塊，Algotronix / Xilinx 6200多路復(fù)用器2LUT模塊，交叉點(diǎn)晶體管模塊）簡直就不存在了。通過互連來實(shí)現(xiàn)其效率的架構(gòu)也已經(jīng)死亡。這些包括所有最近鄰居基于網(wǎng)格的架構(gòu)。擴(kuò)展階段也注定了時(shí)間復(fù)用設(shè)備，因?yàn)橹恍枰却乱淮幚恚喈?dāng)?shù)娜萘繑U(kuò)展就可以避免復(fù)雜性和性能的損失。FPGA業(yè)務(wù)中的幸存者是那些利用工藝技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的公司。Altera首先將CPLD的長距離連接引入Altera FLEX架構(gòu)。FLEX比其他被短導(dǎo)線占主導(dǎo)地位的FPGA的自動(dòng)化程度更高。它取得了快速的成功。20世紀(jì)90年代中期，美國電話電報(bào)公司（AT＆T）/朗訊（Lucent）發(fā)布了ORCA ，賽靈思公司在擴(kuò)大XC4000互連數(shù)量和長度的同時(shí)擴(kuò)大了設(shè)備規(guī)模。擴(kuò)張階段由此確立。

? C.作為選擇技術(shù)的SRAM的出現(xiàn)

摩爾定律快速發(fā)展的一個(gè)方面就是需要站在過程技術(shù)的最前沿。將容量加倍和邏輯成本減半的最簡單方法是針對下一個(gè)工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)。這迫使FPGA廠商采用領(lǐng)先的工藝技術(shù)。采用新技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)的FPGA公司在結(jié)構(gòu)上處于劣勢。非易失性可編程技術(shù)如EPROM，F(xiàn)lash和反熔絲就是這種情況。當(dāng)一種新的工藝技術(shù)可用時(shí)，可用的第一個(gè)組件是晶體管和電線，這是電子電路的基本組成部分?；陟o態(tài)內(nèi)存的設(shè)備可以立即使用新的更密集的進(jìn)程。對于特定的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，防偽設(shè)備被精確地推廣為更高效，但需要數(shù)月或數(shù)年的時(shí)間才能確定新節(jié)點(diǎn)上的反熔絲。在反熔絲被證實(shí)的時(shí)候，SRAM FPGA已經(jīng)開始在下一個(gè)節(jié)點(diǎn)上交付。防偽技術(shù)無法跟上技術(shù)發(fā)展的步伐，所以為了維持產(chǎn)品的平價(jià)，它們的效率要比SRAM高一倍。 ? 防偽裝置有第二個(gè)缺點(diǎn)：缺乏重新編程能力。隨著客戶習(xí)慣于“易失性”SRAM FPGA，他們開始體會到系統(tǒng)內(nèi)可編程性和硬件現(xiàn)場更新的優(yōu)勢。相比之下，一次性可編程設(shè)備需要進(jìn)行物理處理才能更新或修復(fù)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。反熔絲設(shè)備的替代品是一個(gè)廣泛的類似ASIC的驗(yàn)證階段，這削弱了FPGA的價(jià)值。

? 摩爾定律在擴(kuò)張階段的快速發(fā)展將反熔絲和閃存FPGA降級為利基產(chǎn)品。 ?

D. LUT作為選擇邏輯單元的出現(xiàn)

? 雖然在擴(kuò)張時(shí)期被記錄下來的低效率，但有幾個(gè)原因，LUT仍然存在并占據(jù)主導(dǎo)地位。首先，基于LUT的體系結(jié)構(gòu)是綜合工具的簡單目標(biāo)。這個(gè)說法在20世紀(jì)90年代中期會有爭議，當(dāng)時(shí)綜合供應(yīng)商抱怨FPGA不是“合成友好的”。這種觀點(diǎn)產(chǎn)生是因?yàn)榫C合工具最初是針對ASIC設(shè)計(jì)的。他們的技術(shù)映射者期望一個(gè)小型庫，其中每個(gè)單元被描述為一個(gè)帶有逆變器的網(wǎng)絡(luò)。由于LUT實(shí)現(xiàn)了22n個(gè)輸入組合中的任何一個(gè)，所以完整的庫將是巨大的。ASIC技術(shù)映射工作者在基于LUT的FPGA上做了apoor工作。但到了20世紀(jì)90年代中期，有針對性的LUT映射器利用了將任意函數(shù)映射到LUT中的簡單性。 ?

LUT具有隱藏的效率。LUT是一個(gè)內(nèi)存，并且存儲器在硅片中有效地布局。LUT還可以節(jié)省互連。FPGA可編程互連在面積和延遲方面是昂貴的。FPGA互連不像ASIC那樣簡單的金屬線，而是包含緩沖區(qū)，路由多路復(fù)用器和存儲單元來控制它們。因此，更多的邏輯成本實(shí)際上是在互連。由于LUT實(shí)現(xiàn)了其輸入的任何功能，因此自動(dòng)化工具只需要在LUT中將所需的信號一起發(fā)送，以淘汰這些輸入的功能。沒有必要為了創(chuàng)建一小組輸入的所需功能而使得多級LUT成為可能。LUT輸入引腳是可任意交換的，所以路由器不需要針對特定的引腳。結(jié)果，基于LUT的邏輯減少了實(shí)現(xiàn)功能所需的互連數(shù)量。通過良好的綜合，來自未使用的LUT功能的浪費(fèi)小于來自減少的互連要求的節(jié)省。 ? 分布式存儲單元編程允許架構(gòu)自由，并使FPGA供應(yīng)商幾乎可以普遍獲得工藝技術(shù)。用于邏輯實(shí)現(xiàn)的LUT減輕了互連的負(fù)擔(dān)。Xilinx衍生的基于LUT的體系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在賽靈思的第二個(gè)來源：Monolithic Memories，AMD和AT＆T。在擴(kuò)展階段，其他公司，特別是Altera和AT＆T / Lucent也采用了存儲單元和LUT架構(gòu)。 ?

插曲：FPGA 鐘形容量曲線

圖8. FPGA市場的增長

圖8中的鐘形曲線表示ASIC應(yīng)用程序的大小分布的直方圖。某個(gè)時(shí)候的FPGA容量是X軸上的一個(gè)點(diǎn)，用豎條表示。條形圖左側(cè)的所有應(yīng)用程序都是可以由FPGA來處理的應(yīng)用程序，因此FPGA的可尋址市場是條形圖左側(cè)曲線下方的陰影區(qū)域。在擴(kuò)展階段，摩爾定律的FPGA容量增加了，所以吧移到了右邊。當(dāng)然，應(yīng)用程序的整個(gè)鐘形曲線也向右移動(dòng)，但應(yīng)用程序大小的增長速度比FPGA容量增長要慢。結(jié)果，代表FPGA的條形圖相對于設(shè)計(jì)的分布迅速地移動(dòng)。由于FPGA解決了曲線的低端問題，因此即使可用容量略有增加，也承認(rèn)了大量的新應(yīng)用。在擴(kuò)展階段，F(xiàn)PGA容量覆蓋了現(xiàn)有設(shè)計(jì)的不斷增長的一小部分，并逐漸成為解決大部分ASIC應(yīng)用的技術(shù)。 ?

圖9.設(shè)計(jì)差距 來源：Synopsys，Gartner，VLSI Technology，Xilinx。

從1990年代后期在EDA供應(yīng)商中流行的“設(shè)計(jì)差距”幻燈片中也可以看出這種增加的適用性（圖9）。按照摩爾定律，ASIC和FPGA的容量在增長：ASIC以每年59％的速度增長，F(xiàn)PGA以每年48％的速度增長。觀察到的平均ASIC設(shè)計(jì)開始增長速度要慢得多，每年只有25％。因此，F(xiàn)PGA容量在2000年達(dá)到了平均的ASIC設(shè)計(jì)規(guī)模，但是對于一個(gè)大的（昂貴的）FPGA。但到了2004年，預(yù)計(jì)10美元的FPGA將滿足ASIC的平均要求。在二十一世紀(jì)初，這個(gè)交叉點(diǎn)進(jìn)一步發(fā)展，因?yàn)镕PGA解決了ASIC市場的低端問題，而這些小型設(shè)計(jì)成為了FPGA設(shè)計(jì)。平均ASIC設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算中不再包含小型設(shè)計(jì)，從而在新的千年中平均ASIC設(shè)計(jì)尺寸大幅增加。今天，由于FPGA幾乎成功吸收了ASIC業(yè)務(wù)的整個(gè)低端市場，所以平均ASIC比圖9所顯示的要大得多。 ?

擴(kuò)張階段回顧

通過擴(kuò)張階段，摩爾定律迅速提高了FPGA的容量，導(dǎo)致了對設(shè)計(jì)自動(dòng)化的需求，并允許更長的互連分段。過于高效的架構(gòu)，無法有效自動(dòng)化簡單地消失。SRAM器件首先開發(fā)新的工藝技術(shù)并主導(dǎo)業(yè)務(wù)。由于FPGA器件容量的增長速度超過了應(yīng)用的需求，F(xiàn)PGA正在侵蝕ASIC領(lǐng)域。用戶不再要求使用多FPGA分區(qū)軟件：設(shè)計(jì)有時(shí)適合于現(xiàn)有的FPGA。

? 隨著FPGA越來越流行，EDA公司開始為他們提供工具。然而，EDA公司的提議被懷疑。FPGA退伍軍人已經(jīng)看到PLD供應(yīng)商如何通過交出軟件而失去對其創(chuàng)新的控制。他們拒絕讓這種情況發(fā)生在FPGA領(lǐng)域。此外，主要的FPGA公司擔(dān)心客戶可能會依賴外部EDA公司的工具。如果發(fā)生這種情況，EDA公司可以通過軟件工具價(jià)格有效地提升FPGA NRE。這將削弱FPGA的價(jià)值主張，將交叉點(diǎn)轉(zhuǎn)回到較低的交易量。一些重要的FPGA-EDA聯(lián)盟是在合成域V中由定義體系結(jié)構(gòu)的物理設(shè)計(jì)工具進(jìn)行的。盡管聯(lián)盟，F(xiàn)PGA公司保持競爭力的項(xiàng)目，以防止依賴的可能性。在擴(kuò)展階段，F(xiàn)PGA供應(yīng)商發(fā)現(xiàn)自己與ASIC技術(shù)和EDA技術(shù)競爭。 ?

圖10. 賽靈思市場營銷，圖片由Xilinx提供。

插曲：XILINX的市場

到20世紀(jì)90年代后期，擴(kuò)展階段在FPGA業(yè)務(wù)中得到了很好的理解。FPGA供應(yīng)商正在積極尋求處理技術(shù)，以解決其尺寸，性能和容量問題。每一代新工藝都帶來了許多新的應(yīng)用。圖10中的幻燈片摘自2000年Xilinx市場推廣演示。當(dāng)時(shí)可用的最大的FPGA Virtex 1000被描述為左下角的小黑色矩形。幻燈片顯示，擴(kuò)張階段將繼續(xù)有增無減，在接下來的五年里，把城門數(shù)量增加到5000萬。盡管摩爾定律堅(jiān)定不移，但這并沒有發(fā)生。在下面的章節(jié)中，我們將研究真正發(fā)生的事情和原因。 ?

圖11. FPGA可尋址市場的增長正在縮小。

累積階段, 2000–2007.

在新千年的開始，F(xiàn)PGA是數(shù)字系統(tǒng)的通用組件。容量和設(shè)計(jì)規(guī)模不斷擴(kuò)大，F(xiàn)PGA在數(shù)據(jù)通信行業(yè)中發(fā)現(xiàn)了巨大的市場。二十一世紀(jì)初的網(wǎng)絡(luò)泡沫造成了對低成本的需求。硅片制造的成本和復(fù)雜性日益增加，消除了“臨時(shí)”的ASIC用戶。定制芯片對于一個(gè)小團(tuán)隊(duì)來說成功執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)太大了。當(dāng)他們看到他們可以將他們的問題融入到FPGA中時(shí)，他們就成了FPGA的客戶。 ? 就像在擴(kuò)張階段一樣，摩爾定律的必然步伐使FPGA變得更大?，F(xiàn)在他們比典型的問題大。有能力比所需要的要多，沒有什么不好的，但是也沒有什么特別的美德。結(jié)果，客戶不愿意為最大的FPGA支付高額的費(fèi)用。 ? 僅僅增加產(chǎn)能也不足以保證市場的增長。再看圖11，F(xiàn)PGA鐘形曲線。由于FPGA容量通過了平均設(shè)計(jì)尺寸，鐘形曲線的峰值，容量的增加承認(rèn)逐漸減少的應(yīng)用。幾乎可以保證在擴(kuò)張時(shí)期獲得成功的產(chǎn)品的尺寸，在接下來的幾年里，吸引越來越少的新客戶。 ? FPGA供應(yīng)商通過兩種方式解決了這一挑戰(zhàn)。對于低端市場，他們重新關(guān)注效率，并生產(chǎn)低容量，低性能的“低成本”FPGA產(chǎn)品系列：Xilinx的Spartan，Altera的Cyclone和Lattice的EC / ECP。 ?

對于高端市場，F(xiàn)PGA供應(yīng)商希望能夠讓客戶更容易地填滿他們寬敞的FPGA。他們?yōu)橹匾δ苤谱髁塑涍壿嫞↖P）庫。這些軟邏輯功能中最值得注意的是微處理器（Xilinx MicroBlaze和Altera Nios），存儲器控制器和各種通信協(xié)議棧。在以太網(wǎng)MAC在Virtex-4的晶體管上實(shí)現(xiàn)之前，它是作為Virtex-II的軟核心在LUT中實(shí)現(xiàn)的。IP組件的標(biāo)準(zhǔn)接口消耗了額外的LUT，但與節(jié)省設(shè)計(jì)工作量相比，效率不高。 ? 大型的FPGA比一般的ASIC設(shè)計(jì)更大。到2000年代中期，只有ASIC仿真器需要多芯片分區(qū)器。更多的客戶有興趣在一個(gè)單一的FPGA上聚合多個(gè)可能不相關(guān)的組件。賽靈思推出了“互聯(lián)網(wǎng)可重構(gòu)邏輯”和FPGA區(qū)域劃分，允許功能單元?jiǎng)討B(tài)插入可編程邏輯資源的一個(gè)子集。 ? 設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在2000年代發(fā)生了變化。大型FPGA承認(rèn)大型設(shè)計(jì)是完整的子系統(tǒng)。FPGA用戶不再只是簡單地實(shí)現(xiàn)邏輯;他們需要他們的FPGA設(shè)計(jì)來遵守系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)主要是信號和協(xié)議的通信標(biāo)準(zhǔn)，用于連接外部組件或在內(nèi)部組件之間通信。由于FPGA在計(jì)算密集型應(yīng)用中的作用越來越大，處理標(biāo)準(zhǔn)也開始適用。隨著FPGA成長為客戶整體系統(tǒng)邏輯的一小部分，其成本和功耗也相應(yīng)增長。這些問題比擴(kuò)張階段變得更為重要。

? 遵循標(biāo)準(zhǔn)，降低成本和降低功耗的壓力導(dǎo)致了架構(gòu)戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)變，從簡單地增加可編程邏輯和乘以摩爾定律，如在擴(kuò)展階段所做的，到添加專用的邏輯塊。這些模塊包括大存儲器，微處理器，乘法器，靈活的I / O和源同步收發(fā)器。由專門設(shè)計(jì)的晶體管而不是ASIC門構(gòu)成，它們通常比ASIC的實(shí)現(xiàn)效率更高。對于使用它們的應(yīng)用程序，他們減少了可編程性的面積，性能，功耗和設(shè)計(jì)工作量。 ?

圖12.賽靈思市場營銷 圖片由Xilinx提供。

其結(jié)果是“平臺FPGA”，從2005年的賽靈思營銷幻燈片中捕獲到，如圖12所示。與圖10相比較，不再是數(shù)百萬門的消息，而是預(yù)定義的，性能專用塊。甚至“門”這個(gè)詞也從幻燈片中消失了。這個(gè)FPGA不僅僅是LUT，觸發(fā)器，I / O和可編程路由的集合。它包括乘法器，RAM塊，多個(gè)Power-PC微處理器，時(shí)鐘管理，千兆速率源同步收發(fā)器和位流加密，以保護(hù)設(shè)計(jì)的IP。FPGA工具不斷增長，以實(shí)現(xiàn)這一不斷增長的實(shí)施目標(biāo)。

? 為了減輕使用新功能和滿足系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)擔(dān)，F(xiàn)PGA供應(yīng)商提供了邏輯發(fā)生器，通過將其專用功能和軟邏輯相結(jié)合來構(gòu)建目標(biāo)功能。軟邏輯的生成器和庫為軟核和強(qiáng)化處理器上的外設(shè)提供了CoreConnect，AXI和其他總線的接口。他們還構(gòu)建了圍繞串行收發(fā)器的固定功能物理接口的總線協(xié)議邏輯。Xilinx系統(tǒng)生成器和Altera DSP Builder自動(dòng)化了DSP系統(tǒng)的大部分組裝，由固定功能和LUT組合而成。為了簡化微處理器系統(tǒng)的創(chuàng)建，賽靈思提供了嵌入式設(shè)計(jì)套件（EDK），而Altera則發(fā)布了其嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)套件（ESDK）。這些功能的演示包括在FPGA處理器上運(yùn)行的FPGA，在FPGA架構(gòu)中進(jìn)行視頻壓縮和解壓縮。 ?

但是，那些不需要固定職能的積累年齡的客戶是什么呢？對于不需要Power-PC處理器，存儲器或乘法器的客戶來說，該塊的面積被浪費(fèi)了，有效地降低了FPGA的成本和速度。起初，F(xiàn)PGA供應(yīng)商試圖確保這些功能可以用于邏輯，如果他們不是主要用途的需要。他們提供了“大型LUT映射”軟件，將邏輯移入未使用的RAM塊。賽靈思發(fā)布了“超級控制器”，將狀態(tài)機(jī)映射到Virtex-II Pro中硬化Power-PC的微處理器代碼。但是這些措施最終被認(rèn)為是不重要的。這表明我們距離發(fā)明階段還有多遠(yuǎn)，F(xiàn)PGA供應(yīng)商和客戶都只是接受了浪費(fèi)的領(lǐng)域。Xilinx副總裁表示，他將在FPGA上提供四個(gè)Power-PC處理器，并不關(guān)心客戶是否使用其中任何一個(gè)。我們給他們免費(fèi)的處理器。 ?

表1 FPGA上選定專用邏輯

插曲：所有階段都如此

積累的階段并不是獨(dú)一無二的，正如增加設(shè)備的能力并不是獨(dú)特的擴(kuò)張階段或獨(dú)特的發(fā)明階段的建筑創(chuàng)新。在發(fā)明階段，門，路由和三態(tài)總線是可用的，而算術(shù)，內(nèi)存和專用I / O出現(xiàn)在擴(kuò)展階段（表1）。在FPGA的各個(gè)階段都增加了專用的模塊，這充分表明它們將繼續(xù)在多樣性和復(fù)雜性方面發(fā)展。一般來說，成功的專用功能本質(zhì)上是通用的，使用可編程LUT和互連的靈活性來定制功能。嘗試生產(chǎn)針對特定領(lǐng)域或特定應(yīng)用的FPGA尚未證明是成功的，因?yàn)樗鼈兪チ薋PGA經(jīng)濟(jì)所依賴的批量生產(chǎn)的優(yōu)勢。當(dāng)然，直到“積累階段”才引起了“通信FPGA”的興起。 ?

累積階段回顧

A.應(yīng)用 ? “積累階段”中FPGA的最大變化是目標(biāo)應(yīng)用程序的變化。FPGA業(yè)務(wù)不是從通用的ASIC替代發(fā)展而是由通信基礎(chǔ)設(shè)施的采用。像Cisco這樣的公司使用FPGA來定制數(shù)據(jù)路徑，以便通過交換機(jī)和路由器轉(zhuǎn)發(fā)大量的互聯(lián)網(wǎng)和打包語音流量。他們的性能要求消除了標(biāo)準(zhǔn)微處理器和陣列處理器，單位體積在FPGA交叉點(diǎn)內(nèi)。新的網(wǎng)絡(luò)路由架構(gòu)和算法可以在FPGA中快速實(shí)施并在現(xiàn)場進(jìn)行更新。在“積累階段”，通信行業(yè)的銷售額迅速增長，超過FPGA業(yè)務(wù)的一半。 ? 當(dāng)然，這一成功使得主要FPGA制造商為通信行業(yè)定制FPGA。通信專用FPGA集成了高速I / O收發(fā)器，數(shù)千個(gè)專用高性能乘法器，能夠在不犧牲吞吐量的情況下制作大量數(shù)據(jù)路徑和深度流水線。為了更好地滿足通信應(yīng)用需求而添加的專用塊和路由減少了可用的通用邏輯區(qū)域。到2000年代末，F(xiàn)PGA不像通用數(shù)據(jù)路由引擎那樣通用ASIC替代。隨著多核處理器和通用圖形處理器單元（GPGPU）的出現(xiàn)，F(xiàn)PGA仍然是高吞吐量，實(shí)時(shí)計(jì)算的首選。同時(shí)，F(xiàn)PGA保持其通用性。FPGA逐位可編程能力確保了它們在包括控制和汽車系統(tǒng)在內(nèi)的廣泛應(yīng)用中的持續(xù)使用。 ?

B. 摩爾定律 ? 經(jīng)典的Dennard縮放，同時(shí)在成本，容量，功耗和性能方面進(jìn)行了改進(jìn)，在2000年代中期結(jié)束。后來的技術(shù)世代仍然在容量和成本方面進(jìn)行了改進(jìn)。電力也在不斷改善，但與性能之間有著明顯的折衷。從一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的性能收益是適度的，并且與節(jié)能相抵消。這種效應(yīng)在圖1中的性能增長放緩中表現(xiàn)得很明顯。這些折衷也推動(dòng)了功能的積累，因?yàn)槿缭跀U(kuò)展階段那樣簡單地依賴于工藝技術(shù)的縮放并不足以改善功率和性能。邏輯強(qiáng)化提供了必要的改進(jìn)。 ? 我們現(xiàn)在將步入FPGA的下一個(gè)階段，那么下一個(gè)階段是什么呢？ ?

圖13.按全球流程節(jié)點(diǎn)估算的芯片設(shè)計(jì)成本。 數(shù)據(jù)：賽靈思和Gartner，2011。

目前階段：不再是可編程邏輯

在積累階段結(jié)束之前，F(xiàn)PGA不是門陣列，而是集成了可編程邏輯的累積模塊集合。他們?nèi)匀皇强删幊痰?，但不限于可編程邏輯。在累積階段獲得的可編程性的額外維度增加了設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。設(shè)計(jì)工作是FPGA與ASIC競爭的一個(gè)優(yōu)勢，與新近到來的多核處理器和GPU競爭是一個(gè)劣勢。 ? FPGA開發(fā)者繼續(xù)承受著壓力。2008年開始的經(jīng)濟(jì)放緩繼續(xù)推動(dòng)降低成本的愿望。這種壓力不僅體現(xiàn)在降低功能價(jià)格的要求上，而且體現(xiàn)在降低使用這些設(shè)備的成本的低功耗上。后Dennard縮放處理技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)新工藝技術(shù)在過去幾十年中所帶來的成本，容量，性能，功耗和可靠性方面的巨大并發(fā)利益。特別需要關(guān)注的是權(quán)力和績效之間的權(quán)衡。怎么辦？ ?

A.應(yīng)用 ? 在積累階段，20世紀(jì)80年代把定制設(shè)備推向市場的ASIC公司正悄然消失。當(dāng)然，定制插座專用ASIC器件仍然存在，但僅限于具有非常大的體積或極端操作要求的設(shè)計(jì)。FPGA是否打敗了他們？好吧，部分。在2000年代，ASIC NRE收費(fèi)對于大多數(shù)應(yīng)用來說太大了。這可以在圖13中看到，其中開發(fā)成本以百萬美元繪制在技術(shù)節(jié)點(diǎn)上。定制設(shè)備的開發(fā)成本達(dá)到幾十億美元。一家將20％的收入用于研發(fā)的公司需要從芯片銷售中獲得5億美元的收s入，以此來支付億元的開發(fā)成本。FPGA交叉點(diǎn)達(dá)到了數(shù)百萬個(gè)單位。有很少的芯片可以銷售，特別是微處理器，存儲器和手機(jī)處理器。伴隨著另一次經(jīng)濟(jì)衰退，銷售不確定性和新產(chǎn)品收入的長期交易，結(jié)果是不可避免的：如果應(yīng)用程序需求可以通過可編程器件滿足，則可編程邏輯是首選解決方案。FPGA的優(yōu)勢從最初的階段起依然在運(yùn)行：通過共享開發(fā)成本降低總體成本。 ?

ASIC并沒有消亡。ASIC通過以應(yīng)用特定標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）片上系統(tǒng)（SoC）器件的形式增加可編程性而存活并擴(kuò)展。SoC結(jié)合了一系列固定功能模塊和一個(gè)微處理器子系統(tǒng)。通常為特定應(yīng)用領(lǐng)域選擇功能塊，如圖像處理或聯(lián)網(wǎng)。微處理器控制數(shù)據(jù)流，并允許通過編程以及現(xiàn)場更新進(jìn)行定制。SoC為硬件解決方案提供了結(jié)構(gòu)，編程微處理器比設(shè)計(jì)硬件更容易。利用FPGA的優(yōu)勢，可編程ASSP器件服務(wù)于更廣泛的市場，更廣泛地分?jǐn)偲溟_發(fā)成本。構(gòu)建ASSP SoC的公司成為無晶圓半導(dǎo)體供應(yīng)商，能夠滿足高開發(fā)成本所需的銷售目標(biāo)。 ?

隨著ASIC向SoC轉(zhuǎn)移，可編程邏輯供應(yīng)商開發(fā)了可編程SoC。這絕對不是在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域如此流行的數(shù)據(jù)吞吐量引擎，也不是門陣列。可編程系統(tǒng)FPGA是完全可編程的片上系統(tǒng)，包含存儲器，微處理器，模擬接口，片上網(wǎng)絡(luò)和可編程邏輯模塊。這種新型FPGA的例子是Xilinx All-Programmable Zynq，Altera SoC FPGA和Actel / Microsemi M1。

? B.設(shè)計(jì)工具 ? 這些新的FPGA具有新的設(shè)計(jì)要求。最重要的是，它們是軟件可編程的，也是硬件可編程的。微處理器并不是象“積累階段”（Age of Accumulation）那樣將簡單的硬件模塊放入FPGA中，而是包含一個(gè)帶有高速緩存，總線，片上網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)的完整環(huán)境。捆綁軟件包括操作系統(tǒng)，編譯器和中間件：整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，而不是一個(gè)集成的功能塊。一起編程軟件和硬件增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。 ? 但這仍然是冰山一角。為了實(shí)現(xiàn)替代ASIC或SoC的目標(biāo)，F(xiàn)PGA繼承了這些器件的系統(tǒng)要求?，F(xiàn)代FPGA具有功率控制，如電壓調(diào)節(jié)和Stratix自適應(yīng)體偏置。最先進(jìn)的安全性是必需的，包括Xilinx Zynq SoC和Microsemi SmartFusion中的公鑰加密技術(shù)。完整的系統(tǒng)需要混合信號接口來實(shí)現(xiàn)真實(shí)的接口。這些也監(jiān)測電壓和溫度。所有這些都需要FPGA成為一個(gè)完整的片上系統(tǒng)，一個(gè)可信的ASSP SoC器件。因此，F(xiàn)PGA已經(jīng)發(fā)展到邏輯門陣列通常不到面積的一半。一路上，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)工具已經(jīng)發(fā)展到包含廣泛的設(shè)計(jì)問題。FPGA公司的EDA工程師數(shù)量與設(shè)計(jì)工程師的數(shù)量相當(dāng)。

? C.工藝技術(shù) ? 盡管在過去的三十年中，工藝規(guī)模一直在穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展，但摩爾定律對FPGA架構(gòu)的影響在不同的階段是截然不同的。為了在發(fā)明階段取得成功，F(xiàn)PGA需要積極的架構(gòu)和流程創(chuàng)新。 ? 在擴(kuò)張階段，駕駛摩爾定律是解決不斷增長的市場的最成功的方法。隨著FPGA逐漸成為系統(tǒng)組件，它們被要求滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)泡沫破裂要求它們以更低的價(jià)格提供這些接口。FPGA行業(yè)依靠工藝技術(shù)擴(kuò)展來滿足其中的許多要求。

? 自Dennard縮放結(jié)束以來，工藝技術(shù)的性能收益有限，無法達(dá)到功耗目標(biāo)。每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)也提供了較少的密度改進(jìn)。隨著復(fù)雜工藝變得越來越昂貴，每個(gè)新節(jié)點(diǎn)中晶體管數(shù)量的增長減慢。一些預(yù)測聲稱，每個(gè)晶體管的成本將上升。像整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)一樣，F(xiàn)PGA產(chǎn)業(yè)依靠技術(shù)擴(kuò)展來提供改進(jìn)的產(chǎn)品。如果改進(jìn)不再來自技術(shù)擴(kuò)展，那么它們從哪里來？ ?

減緩工藝技術(shù)改進(jìn)提高了新型FPGA電路和架構(gòu)的可行性：回到發(fā)明階段。但是這并不像回到1990年那么簡單。這些改變必須在不降低FPGA的易用性的情況下進(jìn)行。這個(gè)新階段給FPGA電路和應(yīng)用工程師帶來了更大的負(fù)擔(dān)。 ?

D.設(shè)計(jì)努力 ? 注意最后一節(jié)的重點(diǎn)是設(shè)備屬性：成本，容量，速度和功耗。成本，容量和速度正是FPGA在20世紀(jì)80年代和90年代處于ASIC劣勢的那些屬性。然而他們興旺起來。對這些屬性的狹隘關(guān)注可能會被誤導(dǎo)，就像ASIC公司在20世紀(jì)90年代對它們的狹隘關(guān)注導(dǎo)致他們低估了FPGA。盡管存在缺點(diǎn)，但可編程性給了FPGA一個(gè)優(yōu)勢。這種優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為風(fēng)險(xiǎn)更低，設(shè)計(jì)更簡單。這些屬性仍然有價(jià)值，但其他技術(shù)也提供可編程性。 ?

設(shè)計(jì)工作和風(fēng)險(xiǎn)正在成為可編程邏輯中的關(guān)鍵要求。非常大的系統(tǒng)難以正確設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)。組裝復(fù)雜的計(jì)算或數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的問題促使客戶找到更簡單的解決方案。隨著設(shè)計(jì)成本和時(shí)間的增加，它們成為FPGA的一個(gè)問題，如ASIC在20世紀(jì)90年代的ASIC NRE成本。從本質(zhì)上講，大的設(shè)計(jì)成本會破壞FPGA的價(jià)值主張。 ? 就像30年前尋求定制集成電路的客戶被ASIC吸引到FPGA一樣，現(xiàn)在很多人都被多核處理器，圖形處理器（GPU）和軟件可編程應(yīng)用特定標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）所吸引。這些替代解決方案提供預(yù)先設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件，以簡化到他們的映射問題。它們犧牲了易用性的可編程邏輯的一些靈活性，性能和功率效率。很明顯，雖然有許多FPGA用戶需要利用FPGA技術(shù)的極限，但是還有許多其他技術(shù)能力足夠的人，但是由于使用這種技術(shù)的復(fù)雜性而使他們感到害怕。

? 設(shè)備的復(fù)雜性和能力促使設(shè)計(jì)工具的能力增加?，F(xiàn)代的FPGA工具集包括從C，Cuda和OpenCL到邏輯或嵌入式微處理器的高級綜合匯編。供應(yīng)商提供的邏輯和處理功能庫支持設(shè)計(jì)成本。工作的操作系統(tǒng)和管理程序控制FPGA SoC操作。FPGA設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)置了團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)功能，包括構(gòu)建控制。一些功能是由供應(yīng)商自己建立的，另一些則是不斷增長的FPGA生態(tài)系統(tǒng)的一部分。 ?

顯然，可用性對于FPGA的下一個(gè)階段至關(guān)重要。這種可用性是通過更好的工具，更高級的建筑，工藝技術(shù)的開發(fā)還是固定塊的更多積累來實(shí)現(xiàn)的？最有可能的是，就像以前的每一個(gè)年齡都需要為每個(gè)年齡段做出貢獻(xiàn)一樣，所有的技巧都需要成功。還有更多。與其他階段一樣，F(xiàn)PGA的下一個(gè)階段將只是在回顧中才會完全清楚。在整個(gè)年齡，期望看到歷史悠久的好工程：從現(xiàn)有的技術(shù)生產(chǎn)出最好的產(chǎn)品。隨著現(xiàn)有技術(shù)和“最佳”定義的不斷變化，這一良好的工程將會完成。 ?

審核編輯：黃飛

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