-------- 探索FPGA 發展的不同時代

作者：Steve Trimberger，賽靈思公司，美國電子電氣工程師協會 (IEEE) 研究員、美國計算機協會 (ACM) 院士、美國國家工程院院士

FPGA 器件自問世以來,已經經過了幾個不同的發展階段。驅動每個階段發展的因素都是工藝技術和應用需求。正是這些驅動因素，導致器件的特性和工具發生了明顯的變化。FPGA 經歷了如下幾個時代：

? 發明時代
? 擴展時代
? 積累時代
? 系統時代

賽靈思于 1984 年發明了世界首款 FPGA，那個時候還不叫 FPGA，直到 1988 年 Actel 才讓這個詞流行起來。接下來的 30 年里，這種名為 FPGA 的器件，在容量上提升了一萬多倍，速度提升了 一百倍，每單位功能的成本和能耗降低了一萬多倍(見圖 1)。

圖 1：與 1988 年的賽靈思 FPGA 特征對比。價格和功耗降低一萬倍。

這些進步主要由工藝技術所驅動， 而且人們很容易認為 FPGA 的發展只是隨著工藝的發展簡單地增大了容量。其實并沒有這么簡單。真正的故事要精彩得多。

發明時代：1984-1992 年

首款 FPGA，即賽靈思 XC2064，只包含 64 個邏輯模塊，每個模塊含有兩個 3 輸入查找表 (LUT) 和一個寄存器。按照現在的計算，該器件有 64 個邏輯單元——不足 1000 個邏輯門。盡管容量很小，XC2064 芯片的尺寸卻非常大，比當時的微處理器還要大；而且采用 2.5 微米工藝技術勉強能制造出這種器件。

每功能的芯片尺寸和成本至關重要。XC2064 只有 64 個觸發器，但由于芯片太大，成本高達數百美元。產量對大芯片來說是超線性的，因此芯片尺寸增加 5% 就會讓成本翻一倍，讓良率降至零，同時也導致初期的賽靈思無產品可賣。成本控制不僅僅是成本優化的問題；更是牽扯到公司生存問題。

在成本壓力下，FPGA 架構師尋求通過架構和工藝創新來盡可能提高 FPGA 設計效率。盡管基于 SRAM 的 FPGA 是可重編程的，但是片上 SRAM 占據了 FPGA 大部分的芯片面積。基于反熔絲的 FPGA 以犧牲可重編程能力為代價，避免了 SRAM 存儲系統片上占位面積過大問題。1990 年，最大容量的 FPGA 是基于反熔絲的 Actel 1280。Quicklogic 和 Crosspoint 也跟隨 Actel 的腳步開發出基于反熔絲的 FPGA。為提高效率，架構經歷了從復雜的 LUT 結構到 NAND 門再到單個晶體管的演變。

在發明時代，FPGA 是數量遠遠比用戶的應用產品小得多。因此，多 FPGA 系統變得流行，自動化多芯片分區軟件成為 FPGA 設計套件的重要組成部分。自動布局布線尚未有。完全不同的 FPGA 架構排除了通用設計工具的可能，因此 FPGA 廠商就擔負起了為各自器件開發電子設計自動化 (EDA) 的任務。由于問題比較小，FPGA（邏輯和物理）手動設計是可以接受的。手動設計與優化通常很有必要，因為芯片上布線資源有限會帶來很大設計挑戰。

擴展時代：1992-1999 年

FPGA 初創公司都是無晶圓廠的公司，在當時屬于新鮮事物。由于沒有晶圓廠，他們在上世紀 90 年代初期通常無法獲得領先的芯片技術。因此 FPGA 開啟了擴展時代，此時落后于 IC 工藝的發展。到上世紀 90 年代后期，IC 代工廠意識到 FPGA 是理想的工藝發展推動因素，由此 FPGA 成為掃除工藝發展障礙的利器。代工廠只要能用新工藝產出晶體管和電線，就能制造基于 SRAM 的 FPGA。每一代新工藝的出現都會將晶體管數量增加一倍，使每功能成本減半，并將最大 FPGA 的尺寸增大一倍。化學-機械拋光(CMP)技術允許代工廠在 IC 上堆疊更多金屬層，使 FPGA 廠商能夠大幅增加片上互聯，以適應更大的 LUT 容量(見圖 2)。

圖 2：FPGA LUT 和互連線路的增加。線路長度以數百萬晶體管間距來測量。

占位面積變得不再像發明時代時那么寶貴。現在，占位面積可讓位于性能、特性和易用性。更大的 FPGA 設計需要具有自動布局布線功能的綜合工具。 到上世紀 90 年代末，自動綜合、布局和布線已經成為設計流程的必要步驟。FPGA 公司的命運對 EDA 工具的依賴程度不亞于對 FPGA 功能的依賴程度。

最重要的是，實現容量翻番和片上 FPGA 邏輯成本減半的最簡單方法是采用新一代工藝技術節點，因此，盡早采用新的工藝節點意義非凡。基于 SRAM 的 FPGA 在這個時期實現了明顯的產品優勢，因為它們率先采用了每種新工藝節點：基于 SRAM 的器件可立即使用密度更高的新工藝，而反熔絲在新節點上的驗證工作則額外需要數月甚至數年時間。基于反熔絲的 FPGA 喪失了競爭優勢。為獲得上市速度和成本優勢，架構創新與工藝改進相比就要退居其次。

積累時代：2000-2007 年

新千年伊始，FPGA 已成為數字系統中的通用組件。容量和設計尺寸快速增加，FPGA 在數據通信領域開辟了巨大市場。2000年代初期互聯網泡沫破滅之后，迫切需要降低成本，這也減少了很多“臨時”ASIC 用戶。定制芯片對小的研發團隊來說風險太大。當他們發現FPGA可以解決他們的問題，自然他們就變成了 FPGA 用戶。

FPGA 問題不局限于典型問題，單純提高容量不足以保證市場增長。FPGA 廠商通過如下兩種方式解決了這一挑戰。針對低端市場，廠商再度關注效率問題，并生產低容量、低性能、“低成本”的 FPGA 系列，例如賽靈思 Spartan? FPGA 系列。針對高端市場，FPGA 廠商通過開發針對重要功能的軟邏輯 (IP) 庫，努力讓客戶更方便地填充最大的 FPGA。這些軟邏輯功能中最值得注意的是存儲器控制器、各種通信協議模塊（包括以太網 MAC），甚至軟微處理器（如賽靈思 MicroBlaze? 處理器）。

設計特點在 2000 年代發生了改變。大型 FPGA 容納超大型設計（完整子系統）。FPGA 用戶不再只是實現邏輯；他們需要使 FPGA 設計符合系統標準要求。這些標準主要是指信號和協議方面的通信標準，可用來連接外部組件或者實現內部模塊通信。處理標準讓 FPGA 在計算密集型應用中發揮越來越重要的作用。積累時代末期，FPGA 已不僅是門陣列，而且還是集成有可編程邏輯的復雜功能集。FPGA 儼然變成了一個系統。

系統時代：2008 年以后

為解決系統設計問題，FPGA 越來越多地整合系統模塊：高速收發器、存儲器、DSP 處理單元和完整處理器。同時還進一步集成了重要控制功能：比特流加密與驗證、混合信號處理、電源與溫度監控以及電源管理等。這些特性在 Zynq All-Programmable 器件中得到了充分體現。同時，器件也推動了工具的發展。系統 FPGA 需要高效的系統編程語言，現可利用 OpenCL 和 C 語言以類似軟件的流程來編程。

FPGA 發展何時才能到頭？可編程性的基本價值已經為業界所共識，小型、高效的邏輯操作可加速很多重要算法并降低功耗，FPGA 技術會持續存在， 并不斷發展演進。