第一部分 FPGA基础理论

第1章 浅谈FPGA技术、优势、学习途径

1.1 FPGA的诞生、发展与未来

1.1.1 FPGA的诞生

说到FPGA—现场可编程门阵列，在电子行业中，相信每一位开发者都耳熟能详。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上发展起来的新型高性能产物，是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制芯片出现的，它既解决了流片费用高昂的问题，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。由于具有容量大、速度高、集成度高、灵活性强等特点，FPGA芯片可以完成极其复杂的时序和组合逻辑电路功能，在信号处理、通信协议、视频图像处理，以及人工智能等领域得到了越来越多的运用。

由于Altera公司全球大学计划做得较好，同时其GUI界面相对更为友善，且低端产品价格亲民，所以对于刚迈出校门的学生来说，他们最熟悉的是Altera公司的FPGA；而对于企业用户、研究所等工程师来说，涉及产品设计时，则更多地要考虑性能、开发周期、产品的支持力度，因此选择上没有太大的局限。不过，亚洲地区用户使用Altera公司产品的较多，而欧洲地区的用户使用Xilinx公司产品的更多（近年来在高端市场上，Xilinx公司的产品占据上风，而在低端市场上，Altera公司产品依然具有很强的竞争力）。

Altera公司与Xilinx公司是目前FPGA界的两大“巨头”，都是“十大最受中国市场欢迎的半导体品牌”之一，市场份额平分秋色，各有千秋。目前，Altera公司与Xilinx公司的市场占有率近90%，排在第三位的是Lattice公司，然后才是其他的一些公司。Altera公司、Xilinx公司和Lattice公司的Logo如图1.1所示。

20世纪90年代是电信行业和集成电路行业迅速发展的时代。为了解决逻辑黏连，以及集成电路复杂度不断上升等问题，PLD（可编程逻辑器件）应运而生。PLD最先由Altera公司发明，早期采用EEPROM工艺，基于乘积项（Product Term）结构。最早进入中国市场的是Lattice（莱迪斯）公司，而并非Altera公司或Xilinx公司。Lattice公司成立于1983年，专业从事设计、开发和销售高性能可编程器件及其相关软件。

1991年，Lattice公司革命性地推出了ISP技术—在线系统可编程技术，从而开创了可编程逻辑器件的市场。利用ISP技术，工程师可以直接对器件进行编程，甚至擦除（不再需要利用紫外线擦除），从而有效地缩短了产品的上市周期，降低了生产成本。正因为ISP技术的优越性，Lattice公司率先占领了中国的市场，成为通信企业、研究所等青睐的产品。

由于Altera公司的产品具有人性化的GUI开发界面，以及灵活强大的功能，所以吸引了一部分工程师，所以从1996年起，Altera公司开始逐渐挽回PLD在中国的市场。随后，Altera公司又推出了MAX7000系列PLD，其在设计与性能上的优势超越了Lattice公司的产品，从而奠定了Altera公司在中国市场的基础。

由于当时市场上的PLD的加密性不好，同时又不能防辐射，所以它并不太适合用于航天产品。不过，Actel公司与QuickLogic公司的PLD采用了Antifuse（反熔丝）技术，以烧断熔丝为代价解决了加密的缺陷。这两家公司的PLD有一个最大的优势，那就是防辐射，以及支持军用温度，因此在航天和军事领域，这两家公司的产品也有属于自己的市场。Actel公司与QuickLogic公司的Logo如图1.2所示。

不过，由于Actel公司[1]与QuickLogic公司的产品具有反熔丝特性，使得其在PLD设计上不通用，因此这两家公司的产品在民用市场所占的份额不是很大。此时，还有一些小市场份额的厂家，如Atmel公司、Cypress公司等，也开始进入FPGA市场，虽然他们也有一定的用户群，但是PLD并非他们的主要业务。Atmel公司与Cypress公司的Logo如图1.3所示。

随着集成电路的不断发展，原有的PLD架构及设计的资源已经无法满足产品设计的需求；同时，由于PLD的制造成本高，且要求使用者需要有一定的专业水平，但烧录次数有限，使其的发展遇到了一定的瓶颈。

作为FPGA的发明者，Xilinx公司在1985年推出了全球第一款FPGA产品—XC2064。当时的XC2064是现在FPGA的一个最原始的雏形—采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数不超过1000个。当时，注定要使用大量芯片的PC刚刚走出硅谷的实验室进入商业市场，因此创新的可编程产品似乎并没有什么用武之地。

但是，事实并非如此。最初，PLD只应用了胶合逻辑（Glue Logic）；后来，发展出数字信号处理、高速串行收发器和嵌入式处理器，PLD逐渐地演变为FPGA。在过去几十年内，尤其是近10年，FPGA以闪电般的速度发展，甚至嵌入ARM与DSP，几乎有望成为未来数字世界的主宰。30多年后的今天，FPGA业界双雄—Xilinx公司和Altera公司，纷纷推出了嵌入双核28nm Cortex-A9的SoC FPGA，以及集成了A53、GPU、Codec、DSP等计算单元的异构FPGA。FPGA现在的发展速度在当初几乎不可想象。

回顾历史，Xilinx公司成立的日期比Altera公司晚了一年。但Xilinx公司能够有今天的业绩，主要是源于其当初开创的一个新结构，即“先组合、后时序”。Xilinx公司产品的特点是细颗粒查找表结构、丰富的寄存器资源，以及分段式路由布线结构、电路上电加载。Xilinx公司产品的这种设计的好处在于：

① 电路的规模得到空前的提高；

② 适合进行加减法运算；

③ 无限制地更新电路。

衡量一个PLD很重要的指标就是FPGA的设计资源与规模，因此从这个角度来看，Xilinx公司的产品无疑走到了世界的最前面。当然，由于SRAM架构的FPGA需要外部存储器作为配置芯片，所以也有人说Xinlinx公司的设计不可靠，其设计指标难以预测，且设计无法保密。但是Xilinx公司在市场上的成功及其对应用需求的推动，证明了这些说法都是错误的。

与此同时，Altera公司并没有甘拜下风。Xilinx公司的成功激励了Altera公司新产品的推出，同时也使其有了革命性的突破。Altera公司产品以其粗颗粒结构、嵌入式存储器、长连线结构又重新占领了市场。Altera公司在1992年推出的FLEX 8000系列FPGA，成为当时攻击Xilinx公司的武器，为未来与Xilinx公司平分秋色奠定了基础。1992—1996年Altera公司推出的革命性产品如表1.1所示。

当时的Altera公司已经意识到了大规模发展FPGA才是王道，高速嵌入式RAM及嵌入式PLL是一个极具开创性的思维。因此，虽然当时Xilinx公司的分布式RAM及内置三态的结构的确有占领市场的优势，但是Altera FLEX 10K的出现，有效地提高了Altera FPGA的产品性能，使其市场份额不断地上升。Altera FLEX 10K的这种设计结构的优势在于：

① 采用多选一或一对多的MUX结构，实现了三态门的功能；

② ESB的Memory结构，用来构成FIFO、DPRAM、大型查找表都非常方便；

③ 布线资源以长连线资源为主，编译速度快。

尽管当时Xilinx公司的分布式RAM也很灵活，但是随着RAM容量的增加，访问速度随之递减，所以无形中降低了产品的性能，同时消耗了大量的逻辑资源。正是由于两家公司各自的优势与缺陷，使得Altera公司与Xilinx公司势均力敌，各自占领了PLD市场的半壁江山。

在Altera公司与Xilinx公司的这一角逐过程中，Lattice公司并没能推出新的产品。此时，Lattice公司的噩梦才刚刚开始，由于设计规模的不断攀升，FPGA的资源已经决定了产品的去向，而Lattice公司一直没有其代表作，因此其市场份额逐渐被Altera公司与Xilinx公司吞噬。

Altera公司与Xilinx公司的FPGA有各自的优缺点，主要区别如下。

① Altera公司的FPGA没有宇航级的，而Xilinx公司有，因此在航天和军工领域，Altera公司的市场份额较少。

② 过去在顶级器件的速度和性能上，Altera公司的FPGA要略逊于Xilinx；但Altera公司最新发布的104nm工艺的Stratix 10TX FPGA，号称最快的FPGA，浮点性能达到10RFLOPS（10万亿次每秒）。

③ 从FPGA的资源上看，Xilinx公司的短线资源比Altera公司的丰富。正因为如此，对于相同速度等级和逻辑资源的器件，Xilinx公司器件的成本与售价均比Altera公司的高。因此，如果Altera公司的FPGA能满足设计要求，将比Xilinx公司的产品有更高的性价比。

④ Altera公司的Quartus Ⅱ软件的集成界面的易用性比Xilinx公司的ISE好，而ISE的脚本支持比Quartus Ⅱ做得好。因此，对初学者或高校学生来说，Quartus Ⅱ更容易入门；而对于熟练用户而言，在大型设计项目的开发中，ISE可能会显得更顺手。自2012年起，Xilinx公司已全面推广Vivado（部分老器件如Spartan6 FPGA只能用ISE），这是更为复杂的高级综合调试工具，对初学者而言有更大的压力。

1.1.2 FPGA的发展与未来

FPGA这一名字在1984年就已经出现了，至今已经超过30年，不过在刚开始的10多年内，FPGA并未受到太多的重视，其原因是FPGA的功耗大、成本高，电路稳定性等性能均不如ASIC。因此，在这10多年时间内FPGA多半只应用在一些特殊领域，如芯片制造者针对新产品测试市场反应时，如果初期产品未能达到量产规模，则可以首先用FPGA制成产品进行测试。

回首半导体行业的芯片制造工艺发展过程，几十年内，其技术的突破简直难以想象—芯片不断向小封装、高集成度、低功耗方向发展，曾经是庞然大物的计算机，如今已经发展成为我们的掌中之物。以Intel公司产品的工艺为例，其半导体制造工艺发展进程如图1.4所示。

由图1.4可见，近10年来，以Intel公司产品为代表的IC制造工艺，从180nm、130nm、90nm、65nm发展到45nm、22nm、14nm，并且10nm近在眼前。FPGA产品的每次重大飞跃，都离不开IC生产工艺的更新。如果想在FPGA上寻求重大突破，除设计结构上的更新外，更重要的是要借助先进的工艺制程。但是，半导体工艺的开发成本和技术门槛高、风险大，使得并不是所有厂商都能“玩得起”，只有实力雄厚、产业链关系稳固的厂商才有实力和勇气参与其中。在FPGA市场上，目前也只有Altera公司和Xilinx公司这两大霸主有资本和能力敢在最新半导体工艺方面“赌一赌”（不得不说的是，Intel公司收购了Altera公司后，其世界一流的工艺必将推动其FPGA的革新）。

FPGA市场风云变幻，Altera公司与Xilinx公司推出的双核ARM Cortex-A9的28nm工艺FPGA，是目前最受嵌入式处理器欢迎的FPGA器件。它以软、硬件结合的架构，完善了嵌入式ARM的处理与FPGA硬件加速的功能，实现了片间通信的无缝连接。使系统集成再次突破极限，这一代FPGA已经从制造工艺、设计架构方面完全突破了传统的概念。以Altera公司的Cyclone V/Arria V FPGA与Xilinx公司的ZYNQ系列FPGA为代表，它们是目前最受欢迎的SoC FPGA，与传统ARM+DSP等多处理器系统的集成设计相比，它们具有绝对优势。

由于双核A9的性能远远满足不了工业界的需求，因此Altera公司的14nm Stratix 10TX系列FPGA，以及Xilinx公司的16nm Ultrascale+系列FPGA，均为集成了四核A53的异构FPGA，从而在终端和云端均受到了市场的青睐，正式将FPGA从单纯的协处理器加速引擎转变为超大规模异构FPGA处理器，使得行业可以采用单片FPGA，以完成CPU、DSP与FPGA等功能的定制开发，FPGA距离统一三大处理器的目标又更近了一步。

随着半导体工艺和技术的不断发展，Altera公司与Xilinx公司的FPGA工艺也在不断更新，FPGA工艺的发展符合摩尔定律，发展到今天的20nm，已经超出了人们以往的想象。Altera FPGA工艺的发展如图1.5所示，从130nm到现在的20nm，我们已经在不知不觉中经历了好几代产品。

在30多年的FPGA发展进程中，Altera公司与Xilinx公司一直是针锋相对、你追我赶、相辅相成的。无论是130nm工艺的角逐，还是90nm、45nm的市场占领，抑或是从28nm到14nm的竞争，Altera公司与Xilinx公司为求得更大的市场份额，为了在FPGA界占据主宰的地位，不断地创新技术，突破极限，完善自我，以赛跑式的竞争统一FPGA的天下。

除Altera公司与Xilinx公司这两家最大的FPGA厂商外，在一些尖端领域，或者现有FPGA无法满足的应用中，也出现了一些创新型公司，如Achronix半导体公司。Achronix半导体公司是一家提供高性能、高密度FPGA方案的美国高科技公司。Achronix半导体公司与Intel公司合作，推出了业界最先进的22nm 3D FinFET技术，以及新一代FPGA器件。Achronix半导体公司的网址为http://www.achronix.com，其主页如图1.6所示。

Achronix半导体公司是一家产品以速度和性能著称的初创型企业，其产品主要应用于高速数字领域。Achronix半导体公司的Speedster22i器件系列是业界速度最快、功耗最低的高密度FPGA。其可编程逻辑主频达到兆级，同时SerDes的速率最高可达到12.75Gbps, DDR3 PHY控制器能实现2133Mbps的速率。此外，以太网控制器能实现10G/40G/100G的带宽。

近几十年来，FPGA作为核心关键技术，一直被美国垄断，全球最大的几个FPGA厂商（Xilinx、Altera、Actel、Microsemi（Lattice））都在美国本土，并且占据了几乎全球市场，也就是说，在全世界范围里，FPGA几乎是美国独有的。近几年，我国国产FPGA正在崛起，国内半导体行业正在悄悄地改变。

FPGA是芯片行业最难走的一条路，众多半导体强国，如日本、韩国、欧洲各国都没有FPGA公司。我国业界深刻认识到唯有自主研发国产FPGA，在市场竞争中不断积累突破，才是唯一的出路。

多年来，中国企业始终没有停止研发FPGA的脚步，国产FPGA的厂家主要有深圳市紫光同创电子有限公司、上海安路信息科技有限公司、广东高云半导体科技股份有限公司、上海遨格芯微电子有限公司（AGM）、京微雅格（北京）科技有限公司等。我国几家成长中的国产FPGA品牌的Logo如图1.7所示。

深圳市紫光同创电子有限公司作为中国可编程逻辑器件领导厂商，专业从事大规模、高性能、高性价比FPGA产品的研发与销售，拥有中国第一款千万门级的高性能自主FPGA产品。其产品主要供给国内航天和军工领域研究所，以及中兴、华为等公司，是有大规模、高性能FPGA设计能力的公司。

上海安路信息科技有限公司、广东高云半导体科技股份有限公司均致力于中低端FPGA的研发，专注高集成化程度、高性价比、低功耗的可编程逻辑器件。这两家公司在国内的LED/LCD显示驱动、工业控制等领域占有一定的份额。目前，其产品均采用55nm低功耗工艺，可覆盖市场所有18K～20K LEs以下产品需求（更好的工艺据说费用过高）。

上海遨格芯微电子有限公司同样为一家中低端、低密度FPGA的芯片提供商，其IoT FPGA芯片通过了三星公司严格的供应商测试认证，成为三星Galaxy手机除Lattice外唯一备选的FPGA。

京微雅格（北京）科技有限公司是一家国家最早投资的FPGA生产厂商，也是以上几家公司中成立最久的。笔者早在2011年、2013年就用过该公司的不同产品，曾经以为该公司一定能够成功，但遗憾的是，不知是由于市场做得不好还是资金链断链，该公司这两年已经偃旗息鼓（据说关门后部分工程师被其他四家公司收编了，随后该公司又进行了重组）。

中国的国产FPGA之路依然艰辛，要与Altera公司、Xilinx公司竞争依然还有很长的路要走，笔者希望政府多以投资或政策支持的方式扶持国产FPGA，未雨绸缪，打造中国之芯；同时希望国产FPGA可以尽快走进高校，走进公司，成为我们首要的选型。

1.1.3 博弈，在入门之前

FPGA的设计平台并不统一。各公司各自生产FPGA芯片，只有公司自己对自己芯片的特性最为了解，因此设计者在选择使用哪个公司的芯片时，就默认选择了相应的开发平台。因此，初学者在入门之前就要选择使用哪家公司的开发平台和系列芯片，并且需要用相当长的时间来掌握平台及产品，这便是设计者在入门之前的一次博弈。为了让读者在抉择之前对各家公司及其芯片有所了解，本书对Altera公司、Xilinx公司、Microsemi（Actel）公司等主要的FPGA公司进行介绍。

Altera公司作为最早的可编程逻辑器件的厂家，也是可编程逻辑器件的发明者，开发平台主要有当年的MAX+PLUS II和后来的Quartus II。Altera公司的主流FPGA分为三大类：第一类FPGA定位为低端产品，侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如Cyclone～Cyclone10系列，其工艺技术为130～20nm，集成化程度不断提高，而且在Cyclone V系列中集成了硬核处理器和高速收发器等资源，从而减小了电路板的面积；第二类FPGA定位为中端产品，如Arria的多个系列，更注重于高级串行接口技术、低功耗、高带宽的应用；第三类FPGA定位为高端产品，侧重于高性能应用，容量大，性能可以满足各类高端应用，如Startix～Stratix10等，用户可以根据自己的实际应用要求进行选择。在性能可以满足的情况下，优先选择低成本的器件。

笔者点评：Altera公司的芯片具有很好的性价比。与Xilinx公司相比，Altera公司更注重亚太地区的市场和各大高校的实验室建设，在我国具有更广泛的应用。笔者在2008—2012年的本科学习期间，笔者所在学校的数字电路的实验室使用的都是MAX+PLUS II和基于Altera FPGA的开发套件。经过Altera公司的不断努力，其新版本的开发平台Quartus II作为MAX+PLUS II的替换版本，具有更好的开发环境，使初学者更容易上手。Altera公司每年都会举办FPGA设计大赛，该比赛是FPGA系统设计领域的顶级赛事之一，我国众多高校将其奖项作为奖学金评定的参考标准。

Xilinx公司是FPGA的发明者，拥有世界近一半的市场，其开发软件为ISE。Xilinx公司的主流FPGA分为两大类：一类侧重于低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如Spartan系列；另一类侧重于高性能应用，容量大，性能可以满足各类高端应用，如Virtex系列，用户可以根据自己的实际应用需求进行选择。

笔者点评：Xilinx公司的开发平台（ISE）的界面相对较为严谨，初学者上手速度比较慢。其产品价格相对偏高，这主要是由于其产品中短线资源较多，相应地增加了成本，但短线资源丰富的优点提高了资源占用较满时布线的成功率。Xilinx公司的产品在国外应用较多，尤其是在一些国际型的FPGA设计公司中应用较为广泛。

Microsemi公司于2010年收购了Actel公司及其相关业务，该公司主要提供非易失性FPGA，其产品主要基于反熔丝工艺和Flash工艺，主要用于军工和航天领域。Actel公司是美国军方的合作伙伴，占据了美国90%以上的航空/航天FPGA市场。在过去的10多年中，Actel公司反熔丝的FPGA已经成功地应用于300多个太空计划，这些应用足以证明Actel公司的FPGA在可靠性方面是毋庸置疑的。2005年，Actel公司推出了第三代Flash架构的FPGA—ProASIC3/E，是为适应市场对全功能、低成本FPGA的强劲需求而设计的，主要面向汽车及其他成本敏感的应用领域。

笔者点评：Microsemi（Actel）公司的产品由于采用了基于Flash的结构，所以上电后无须进行程序加载，因此系统上电后在极短时间内即可达到稳定状态，并且可以节约Flash相关电路的布局空间，设计时相对简单。然而，逻辑资源和采购方式是其硬伤。从表1.2中可以看出，Microsemi（Actel）公司高端系列的A3PE1500与Altera公司的中低端系列的EP3C40相比，各项指标均处于劣势。尤其是其存储资源较少，不适用于需要大量存储资源的实时算法，如图像类算法等。由于国内外使用Actel公司产品的人较少，所以其产能不高，采购也比较困难。但由于其在航空/航天领域的特殊应用，使得在一些航空/航天领域研究所的高校招聘会上，熟悉Actel公司产品的设计者有一定的优势。