什麼是FPGA

FPGA的英文全稱是:Field Programmable Gate Array,中文是:現場可編程門陣列,它是由大量的邏輯門、存儲單元和可編程連接器件組成的,是一種以數字電路為主的集成晶片。

因其是由通過可編程互連連接的可配置邏輯塊(CLB)矩陣構成的半導體器件,所以現場可編程門陣列(FPGA)在製作完成之後可根據所需的應用或功能要求進行重新編程。

FPGA的工作原理是基於可編程邏輯的思想,它可以在需要的時候重新配置它的邏輯電路,實現不同的功能。 FPGA的邏輯電路是由可編程邏輯單元(PLU)組成的,每個PLU都可以完成特定的邏輯操作,例如AND、OR和NOT等。這些PLU可以通過可編程連接器件連接起來,形成任意的邏輯電路查找表(Look-Up-Table)簡稱為LUT,LUT 本質上就是一個RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT,所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的 的RAM。當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以後,PLD/FPGA開發軟體會自動計算邏輯電路的所有可能結果,並把真值表(即結果)事先 寫入RAM,這樣,每輸入一個信號進行邏輯運算就等於輸入一個地址進行查表,找出地址對應的內容,然後輸出即可。

所以通過燒錄文件去配置查找表的內容,從而實現在相同電路情況下實現了不同的邏輯功能。

這也是現場可編程門陣列(FPGA)晶片區別於特定用途集成電路(ASIC)的不同之處。

FPGA的歷史

FGPA於 晶片屬於可編程邏輯器件(Programmable Logic Device,PLD)的一種,20世紀八十年代,Ross Freeman從Zilog購買FPGA技術,隨後創立公司賽靈思,並於1985 年推出第一顆真正意義上的FPGA晶片XC2064,其當時只有64個邏輯模塊和不到1萬個電晶體。

最初,FPGA只是充當連接各個專用晶片的膠合邏輯(Glue Logic)的角色。直到SoC-FPGA(可編程片上系統晶片)發布,單個FPGA晶片中實現一個完整電子系統成為現實的方案,FPGA才算真正走到舞台中央。

根據FPGA的電路結構,FPGA 可編程大致可以分為三個方面的可編程:可編程邏輯塊/邏輯陣列塊、可編程 I/O、可編程布線資源。可編程邏輯塊是 FPGA 可編程的核心,我們上面提到的三種技術也是針對可編程邏輯塊的技術。

FPGA的結構

主要由邏輯單元、可編程輸入輸出單元(I/O)和內部連接線(Interconnect)即可編程布線資源等 主要三部分構成。

Xilinx的邏輯單元基本組成為可配置邏輯模塊(CLB),而Altera的為LAB,但更深一層講,CLB和LAB裡面也都是由LUT、觸發器等構成的
FPGA結構圖
FPGA技術優勢

許多人知道FPGA很高端,但是它高端在哪裡呢?優勢在哪?

單片機功能是很強大的,而FPGA與之相比只強不弱。因為只要單片機能實現的功能,FPGA 就一定能實現,當然這需要加一個大前提——在 FPGA 資源足夠多的情況下。但是 FPGA 能實現的功能,單片機卻不一定能夠輕鬆實現。

根據性能和資源的不同,FPGA 的價格也存在很大差異,單枚 FPGA 晶片的價格從幾元到幾萬元不等。而單片機與FPGA相比,在價格方面卻遠低於 FPGA,同樣的功能我們如果可以用價格低廉的單片機實現,就不會選擇相對昂貴的 FPGA 了,除非單片機滿足不了功能需求。

所以這也是為甚FPGA功能更強大,卻是單片機使用的市場更廣泛的原因。

FPGA 的應用場景雖然沒有單片機和 ARM 這麼多,但是對單片機和 ARM 無法解決的問題。比如要求靈活高效、高吞吐量、低批量延時、快速並行運算、可重構、可重複編程、可實現定製性能和定製功耗的情況,這些工作只能由FPGA承擔。

因此,FPGA 通常在數字信號處理、視頻處理、圖像處理、5G 通信領域、醫療領域、工業控制、雲服務、加速計算、人工智慧、數據中心、自動駕駛、晶片驗證等領域發揮著不可替代的作用。 

FPGA應用方向   

FPGA 介於軟體和硬體之間,用它做接口、做通信,它就偏向硬體;用它做算法、做控制,它就偏向軟體

FPGA 最初的應用領域是通信領域,但是隨著信息產業和微電子技術的發展,FPGA 技術已經成為信息產業最熱門的技術之一,由於其自身的可編程特性, FPGA 成為了眾多不同的市場的理想選擇,其應用範圍場景也隨之擴大,如
  • 航天航空及軍工- 用於實現圖形處理、波形生成和 SDR 部分重配置的抗輻射 FPGA 與 IP 核
  • 工業控制-包括工業成像及監控、工業自動化運動控制和醫學成像設備等應用,實現更高的靈活性、更快面向市場時間和更低成本
  • 視頻圖像處理-包括視頻矩陣,廣告屏,投影儀等,實現視頻圖像採集、視頻圖像傳輸和視頻圖像編解碼等應用需求
  • 消費類電子-高性價比,低功耗,如數字平板顯示器、手機、可穿戴、機頂盒等
  • 數據中心-用於服務器中,實現高速寬帶服務的網絡存儲
  • 新能源存儲-實現其逆變器中的控制模塊功能和通信功能

京微齊力(北京)科技股份有限公司

京微齊力(北京)科技股份有限公司總部設於中國北京,在中關村設有研發中心;在上海、深圳設有分公司,在青島、武漢等地有技術支持,市場銷售及研發團隊。京微齊力是國內最早進入自主研發、規模生產、批量銷售通用FPGA晶片及新一代異構可編程計算晶片的企業之一。

​擁有超200件專利,具備獨立完整的自主智慧財產權,涵蓋FPGA內核設計、SOC架構設計、晶片開發、EDA軟體開發、IP開發與集成等全棧技術領域。

京微齊力產品將FPGA與CPU、MCU、Memory、ASIC、AI等多種異構單元集成在同一晶片上,實現了可編程、自重構、易擴展、廣適用、多集成、高可靠、強算力、長周期等特點,為用戶提供高性價比的系統解決方案。

京微齊力產品分為四個系列

1) 山系列 HME-M

1K~12K邏輯單元FPGA,集成高速MCU內核,速度可達200Mhz,含豐富外設接口 ,USB、CAN、DDR控制器,在同規格競品中BOM成本具備競爭力。

市場領域:工控、LED顯示、智能家居

HME-M5

 M5
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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HME-M7

M7

圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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2)河系列 HME-R:

1.5K~3K邏輯單元FPGA,低功耗、低成本、高性價比,靜態功耗低至uA,40nm低功耗工藝,最多可提供80對LVDS IO供用戶配置,且有多種小封裝可選。

市場領域:消費、手機屏顯、智能終端

HME-R

 R1
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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3)大力神系列 HME-H:

1.5K~20K邏輯單元FPGA,高性價比、低功耗、高性能、高速MIPI,集成2個4-Lane 1.5G MIPI D-PHY和收發控制器,含大量SRAM,適合處理各種MIPI橋接和Scaling算法。

市場領域:消費、手機屏顯、AR/VR、智能終端、工業控制

 HME-H1

 H1
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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HME-H3
H3
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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HME-H7

H7
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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4)飛馬系列 HME-P:

20K~500K邏輯單元FPGA,是高性能,大容量的FPGA,為高性能LUT6架構,有高達6.5G bps Serdes高速I/O口,硬核PCIE Gen1/Gen2。

市場領域:安防、工控、電力、視頻、通信

HME-P0

 P0
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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HME-P1

 P1
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料

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www.hercules-micro.com

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