現(xiàn)場可編程門陣列 (Field Programmable Gate Array, FPGA)也稱為現(xiàn)場可編程器件，是在 PROM ( Programmable Read Only Memory )、PLD ( ProgrammableLogic Device)、 PLA ( Programmable Logic Array)、 GAL (Gate Array Logic)、CPLD ( Complex Programmable LogicDevice）等可編程器件的基礎(chǔ)上，發(fā)展成的一種半定制化集成電路芯片，它具有硬件可編程的特點(diǎn)。

1985年 Xilinx 公司推出全球第一款 FPGA 產(chǎn)品 XC2064， 使用了 2μm 制造工藝，包含64個(gè)邏輯塊（合1200個(gè)邏輯門）。 2003 年 Xilinx 公司推出了 90nm制造工藝的 Spartan-3 系列產(chǎn)品，隨后又推出了 65nm制造工藝的 Virtex-5 系列產(chǎn)品和 45nm制造工藝的 virtex-6系列產(chǎn)品。2011年 Xilinx公司和 Altera 公司相繼推出了 28nm制造工藝的 FPGA 產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有高效的邏輯集成功能和更低功耗。2016年Xilinx公司和 Altera 公司推出了 16nm 制造工藝的 FPGA 產(chǎn)品。

FPGA主要由可編程輸入/輸出單元(I/O Blocks）、可編程邏輯塊（Configurable Logic Block, CLB，簡稱邏輯單元）、嵌入式 RAM、可編程布線、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核六大部分組成?？删幊踢壿媺K是 FPGA 的基本邏輯單元，它由觸發(fā)器（Trigger）和查找表 （Look-Up Table, LUT)兩部分組成。

FPGA 芯片包含數(shù)以百萬計(jì)的邏輯單元，配置它們實(shí)現(xiàn)特定的邏輯功能十分復(fù)雜，需要使用專用 EDA 開發(fā)工具編譯出對(duì)應(yīng)的配置文件或二進(jìn)制碼流。主流的 FPGA 廠商的 EDA 開發(fā)工具主要有 Altera（2015 年被Intel 并購）的 QuartusⅡ、Xilinx 的ISE 和 Vivado、Lattice 的 ispLEVER、 Atmel (2016 年被 Microchip 并購）的pASSP 和 Actel （2010年被 Microsemi 并購）的Libero。

FPGA 設(shè)計(jì)方法的發(fā)展可劃分為三個(gè)時(shí)代，即硬件描述時(shí)代、嵌入式軟核時(shí)代和異構(gòu)系統(tǒng)時(shí)代。

硬件描述時(shí)代是 FPGA設(shè)計(jì)的第一個(gè)時(shí)代。設(shè)計(jì)人員根據(jù)待設(shè)計(jì)的電路功能使用硬件描述語言 ( Hardware Description Language, HDL）完成開發(fā)。由于模塊化數(shù)字電路可被封裝為 IP （Intellectual Property）核的形式，使用 IP 核完成FPGA 的最終設(shè)計(jì)，可大大提高效率。

嵌入式軟核時(shí)代是 FPGA 設(shè)計(jì)的第二個(gè)時(shí)代。它以 Altera 公司的微處理器軟核Nios Ⅱ和 Xilinx公司的微處理器軟核Microblaze 為代表。設(shè)計(jì)人員利用 FPGA內(nèi)部的邏輯資源搭建微處理器軟核，再將 I/0 接口等IP軟核連接至微處理器軟核總線，從而構(gòu)成可編程系統(tǒng)芯片 (Programmable Systemon Chip，PSoC)。設(shè)計(jì)人員可使用C、C++等高級(jí)語言控制可編程片上系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。?????

在功耗、性能和開發(fā)周期等因素的驅(qū)動(dòng)下，F(xiàn)PGA 設(shè)計(jì)進(jìn)入了異構(gòu)系統(tǒng)時(shí)代。以CPU 為核心的哈佛結(jié)構(gòu)（或馮氏結(jié)構(gòu)）和可編程邏輯電路同時(shí)存在于FPGA中，使異構(gòu)系統(tǒng)更具綜合優(yōu)勢。例如，Altera 的 Cyclone V 系列和 Xilinx的Zynq系列均包含ARM硬核。同時(shí)，隨著高層次綜合 ( High -Level Synthesis，HLS)的推出，F(xiàn)PGA 的 EDA 工具得到進(jìn)一步的發(fā)展，可直接使用C、C++等語言對(duì) FPGA 進(jìn)行硬件編程，更大程度地提高了 FPGA 的設(shè)計(jì)效率。

2010 年后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在人工智能領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。FPGA 因具有高度并行、高吞吐量、低功耗和可重構(gòu)等特點(diǎn)而備受關(guān)注，成為在實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)算法的系統(tǒng)中提高性能功耗比的重要器件。

審核編輯：湯梓紅