FPGA是什么 —— 它的工作原理及其用途

FPGA是什么？

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，簡(jiǎn)稱(chēng) FPGA）是一種集成電路（IC），可以開(kāi)發(fā)定制邏輯，用于快速原型設計和最終系統設計。FPGA與其他定制或半定制的集成電路不同，其自身的靈活性使其可以通過(guò)下載軟件進(jìn)行編程和重新編程，適應所設計的大型系統不斷變化的需求。FPGA非常適合當今各類(lèi)快速發(fā)展的應用，如網(wǎng)絡(luò )邊緣計算、人工智能（AI）、系統安全、5G、工廠(chǎng)自動(dòng)化和機器人技術(shù)。

為什么使用FPGA而不是其他類(lèi)型的集成電路？

FPGA的主要優(yōu)勢在于其可編程架構，它允許設計人員對器件進(jìn)行快速編程（和重新編程），以執行幾乎任何功能。通過(guò)使用可下載的軟件更新，即使在FPGA集成到應用中后，也可以實(shí)現這種可重新編程性（因此，“現場(chǎng)可編程門(mén)陣列”中的“現場(chǎng)可編程”由此得名）。這種固有的靈活性還有助于加快基于FPGA設計的上市，因為FPGA的功能可以與整體系統設計同步開(kāi)發(fā)或更改。

FPGA的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其并行處理能力。通過(guò)其架構中的海量的門(mén)，FPGA能夠以并行方式處理數據，即同時(shí)執行操作，而不是按順序執行。這種處理方式更適合高性能計算應用（如人工智能），以更低的時(shí)鐘速度、更低的功耗提供更高的性能。

其他類(lèi)型的集成電路，如微控制器（MCU）、微處理器（MPU）、專(zhuān)用集成電路（ASIC）和專(zhuān)用標準產(chǎn)品（ASSP），在部署時(shí)具有固定功能，采用串行方式（即一個(gè)接一個(gè)）運行。缺乏可編程性會(huì )縮短系統部署后的使用壽命。串行處理會(huì )導致功耗增加，因為集成電路需要使用更高速的時(shí)鐘才能跟上處理工作量。這對于需要更高計算性能的應用（如網(wǎng)絡(luò )邊緣人工智能，也需要支持低功耗運行）來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題。

如何對FPGA進(jìn)行編程或配置？

FPGA需要進(jìn)行配置，這樣器件的邏輯電路和互連線(xiàn)資源才能知道它們在實(shí)現特定應用時(shí)應發(fā)揮什么作用。開(kāi)發(fā)人員使用專(zhuān)用軟件（一般由FPGA供應商提供），通過(guò)圖形設計捕獲（一般用于較小的FPGA）或硬件描述語(yǔ)言（HDL）設計FPGA中要實(shí)現的邏輯。

然后，軟件通過(guò)綜合來(lái)“編譯”設計，之后根據最適合目標FPGA對邏輯布局布線(xiàn)，然后軟件創(chuàng )建一個(gè)位流，用于配置（或編程）FPGA。位流下載到FPGA后，器件就可以執行自定義的任務(wù)。

FPGA用在何處？

簡(jiǎn)而言之，無(wú)處不在。FPGA被廣泛應用于不斷增長(cháng)的通信、計算、工業(yè)、汽車(chē)和消費市場(chǎng)，包括人工智能和機器學(xué)習（ML）推理、數據協(xié)同處理、嵌入式視覺(jué)和安全系統控制等等。