FPGA到底是什么？
前言-芯片的本质
芯片的本质是什么？
老哥认为芯片的本质是电路！
简单来说，数字芯片，不论多复杂，其底层就是 与，或，非的组合。
这个是某宝上可以买到的世界上简单的芯片之一， 74LS系列，很便宜，两毛钱；
其功能就是二输入与非门。这是一个最简单的芯片，其电路和版图如下
上图中一共4个二输入与非门。
而CPU或者GPU等大芯片，有几千万门甚至上亿门的电路。
通过深入剖析大芯片的底层结构，我们能够揭示其内部所包含的逻辑单元。
这就是电路，CPU和GPU也是一种电路的组织形式。
即使最复杂的芯片，芯片设计工程师也只能通过硬件描述语言（HDL）来描述其电路。
看起来像是和软件工程师一样，都在敲代码，在编程，实际上是在搭电路。
EDA工具将语言信息映射为电路设计，最终生成该设计版图（GDS）。随后，该版本被提交至厂家进行生产流程。流片厂家将GDS转换为硅基材料。封装厂家完成从DIE到CHIP封装的工艺流程。
这个过程和设计PCB电路基本上是非常相似的。
都是电路转换成PCB 到厂家制版。
当前来看，核心环节主要是制造环节，具体来说，即从版图到硅的阶段。除此之外，其他环节也有一定的关注，但这个问题，以后可以深入探讨。
今天主要说一下 ，设计一款芯片研发最大的问题是啥？
有两点是大家公认的。
第一，研发迭代周期长：
大芯片投入研发一年或两年，这已成为常见做法。由于功能缺陷或市场变化等原因，最终无法售出，不得不重新规划。这令人震惊，小型芯片公司因芯片失败导致资金耗尽，一气呵成也是常见现象。
第二，芯片投入高：
芯片研发涵盖流片成本、IP成本以及人力成本等多个方面。28nm的MASK约为1000万元，12nm的约为2500万元，此外还有人力成本和IP成本等。研发一颗28nm的芯片的总投入成本大几千万，而7nm和5nm的投入则高达几亿元。如此高昂的成本（NRE）最终将分摊到每一颗芯片上。
对于一个项目或需求，其数量在数千到数万颗之间，是否值得投入研发芯片则成为一个需要深入考虑的问题。
当流程线不适用时，是否真的没有替代方案？通过缩短迭代周期并降低实现成本，可以有效满足这一电路的需求。
FPGA，他来了！
1：FPGA：实现电路的电路
FPGA
Field Programmable Gate Array。
现场可编程门阵列。
FPGA和专用芯片不同。
可以编程。
文章开头说过了， 芯片的本质就是电路。
那么FPGA的本质是什么？
FPGA本质也是一种芯片。
但是，既可以实现数字电路功能，也可以将如CPU、GPU、NPU等如数字电路均可以放置于FPGA内部，具体效率则需进一步探讨。
那FPGA的本质就是可以通过编程实现电路的电路。
这个是怎么做到的？
或者说，什么样的电路可以实现与或非这些基本操作
我们采用 F=A&B&C&D 这一电路作为示例：
这个RAM有4位地址， DCBA。通过这4bit选择RAM的输出。
通过配置RAM中不同的值，实现输出F 和输入A，B，C，D的关系
上图中，我们把16bitRAM 配置为 0000000000000001 ，这个电路 则等效 F=A&B&C&D；
只有A=B=C=D=1时， F=1，其他情况 F=0；
完美实现了 F=A&B&C&D；
重要的事情再说一遍；
16bitRAM 配置为 0000000000000001 ， 则等效F=A&B&C&D；
那么现在“0000000000000001” 这串数就是FPGA的编程。
这就是FPGA最基本的原理；
举一反三，如果实现电路 F=A|B|C|D 。
这个电路如何编程：
16bit RAM 配置为 01111111111111111， 则等效F=A|B|C|D。
建议大家进行尝试：通过调整16\text{bit}RAM的设置，能够支持处理A、B、C、D四个输入的所有逻辑运算。
FPGA就是利用了这个转化，具备了描述任何电路的能力。
上图这个结构在FPGA中有一个专有名词，叫做LUT ，lookup table（ 查找表）。
（nnd神奇啊）
LUT就构成了所有FPGA的最基本的单元。
LUT仅能完成数字组合逻辑，为了进一步提升功能，又添加了一个寄存器flipflop（ff），实现数据的保持功能；
如下图所示：LUT+寄存器构成了现代FPGA基本结构。
FPGA的基本结构，就是依靠如此简单的电路实现了无比复杂的逻辑。
该方法由LUT和FF的基础结构构成，其中的LUT和FF整合为一个基础的逻辑单元（LOGIC BLOCK）。
在数字电路设计中，能够处理四个输入变量进行计算的LUT表，通常被称为4输入LUT。此外，随着需求的变化，还出现了5输入、6输入等变种。
万变不离其宗。
这种结构，从FPGA诞生以来，就没有怎么变过。
这个电路，也可以看作是一个最小的FPGA。
现在能实现一个功能的芯片，少则几万门，多则几千万门，上亿门。
单纯靠这个电路实现，这就是开玩笑了。
那么就需要无数的LUT和FF来实现，。
基于FPGA架构实现了大量Logic Block的构成，每个Logic Block内部由LUT和FF构成，通过布线资源进行连接。
把互联和逻辑单元结合起来就是一个FPGA芯片，图如下所示。
FPGA开发流程通常包括以下步骤。首先，使用Verilog（一种电路描述语言）编写HDL代码，随后将其转换为bit流配置文件。
相较于以往，专用芯片的开发流程从HDL（基于verilog的电路描述语言）到硅基芯片，所用时间显著增加。
这些bit流包括啥？
开头说过了，16bitRAM （LUT）配置为 0000000000000001 ，
则等效F=A&B&C&D；
FPGA生成的Bit-stream流序列，包含LUT配置信息以及布线资源配置信息。
到这里，FPGA的设计及编程就完成了。
简单明了！
FPGA基本原理
FPGA的核心原理及其工作机制
如果还是不能理解，那就瞅瞅这个视频。
FPGA简短介绍
FPGA概述
2：EDA工具：从知到行的距离
看起来设计一个FPGA芯片也不复杂。
电路不复杂，市场上高性能的FPGA，可选择的余地不多。
从知到行，这里面有一个巨大的鸿沟，
按照本文开头的原理，假如一个厂商设计完毕了一款FPGA芯片。
等到给客户使用的时候，就碰上了一个大麻烦。
EDA工具。
如果给客户提供FPGA芯片，则需要配套提供给客户一个EDA工具。
没有EDA工具，难不成让客户手动生成FPGA的bitstream的文件。
芯片都做出来了，EDA工具，还难吗？
难，真的难！
这是一个巨大的坑。
此图具有一体化架构，展示了基于开源平台的硬件可编程架构的设计流程图。我们可探究，即便一个开源项目，其所需的EDA工具最少应包含哪些？
这些需要给客户的EDA工具包括：
- 1：通用工具
- 2：布线排布工具
- 3：bit制作工具
- 4：时序评估工具
- 5：仿真模拟工具
- 6：用于调试的嵌入式逻辑分析仪器等
- 7：功耗评估工具
这些集合可以被视为最小规模的，但相比而言，这些集合的复杂性已经超越了单个CPU芯片支持的GCC编译器水平。
老哥安装过某个公司开发的EDA工具，这些工具的体积大约都是十几个GB，比Windows安装盘大得多。
如果CPU的GCC工具难度是1，FPGA的EDA工具的难度就是10到100。
借用《让子弹飞》里的一段话：
项目成功了，芯片功劳怎么才占7成。
七成是EDA的，芯片也就三成。
就这三成，还要看EDA的脸色。
辛辛苦苦半天，做出来芯片，还要看EDA工具的脸色。
看看EDA都有哪些“脸色”？
以上图的布局布线工具为例，看起来就比较复杂。
如果做不好，整个FPGA的利用率极低，还布不通，你说重要不重要。
除了传统的EDA工具，生成HDL描述，如Verilog这种编程语言之外，同时包含高层综合设计语言（HLS，High level Synthesis）作为高层次综合的描述语言。
HLS的引入，使得软件工程师能够更方便地参与FPGA设计流程中。通过HLS技术，电路开发被自动处理，软件开发成为主要关注点。这进一步凸显了EDA工具的强大功能。
该方法本质上是将高级编程语言（C/C++）被转换为硬件描述语言（HDL），并进一步通过综合工具将其转换为电路。
主要优点在于更符合软件工程师的习惯，然而，这种做法引入了额外的转换步骤，导致了效率上的损失。
3：FPGA的架构：融合超越
文章开始说了，FPGA就是Logic Block，内部主要是（LUT+FF），以及布线资源。
除了这些。
FPGA还有很多硬核IP，也叫做宏单元。
例如PLL，SERDES，RAM等常规IP的。
随着现在芯片的演进。
FPGA内部也集成了很多新的东西。
这些新产品的最具特色便是其硬核CPU系统，在FPGA内部实现了这一技术，甚至支持操作系统（OS）的运行。
这样CPU+FPGA。
CPU软件编程，FPGA 硬件电路编程，
这个就是双剑合璧，更胜一筹。
同样，serdes是高端FPGA的必要模块。缺少serdes，FPGA就孤立无援，无法实现与其他芯片电路的高速互联。
现在与外部器件连接，支持比如PCIe，SATA，10G/100G ethernet这些高速协议。
数字信号处理，FPGA应用于数字信号处理等计算密集型任务，如雷达等等
所以，FPGA内部也集成了了很多DSP单元，实现乘法等操作。
抓住人工智能领域这一战略机遇期，一些FPGA配备了用于AI处理的神经网络加速电路。
总结一下，除了LUT，FPGA内部集成硬核IP包括：
1：RAM：负责存储资源的实现；
2：PLL：提供高速时钟信号和资源；
3：DSP：涉及乘法操作、滤波器以及数字信号处理模块；
4：SERDES：支持实现PCIE、SATA、FC以及100G Ethernet等高速接口；
5：CPU系统：具备软件编程开发能力；
6：NPU核心：通过加速AI处理来提升性能。
而根据市场需要，还可能添加更多的硬核IP 与传统的FPGA进行融合。
融合更多功能IP。
这就是FPGA架构未来的趋势。
4：FPGA优势：解决问题才是王道
FPGA和CPU有什么区别和优势？
我们讨论一种架构的优劣，重点是解决了什么问题？
而不是CPU与FPGA，孰优？
只有放在固定的应用场景下，才能说哪种架构更适合解决这些问题。
FPGA编程是电路，本质上还是可以看作，逻辑门（与或非）等等效电路。
CPU是指令操作，运行的是软件。
FPGA采用时间并行技术，而CPU采用时间串行处理机制。单个CPU核心必须依次执行每一条指令以完成任务，尽管存在指令级并行的可能性，但其基本运行机制保持一致。
FPGA的并行度较高，相比CPU的计算方式，数据吞吐量大，时延控制比较好。
然而，CPU运行频率显著高，能够执行操作系统任务，作为通用计算单元展现出极高的灵活性，与FPGA相比，这种特性主要体现在其他方面。
FPGA更适合构建专用标准集成电路（Application Specific Standard Parts，ASDP），这种设计主要用于满足特定领域的需求。它与CPU协同构建专用运算单元，以实现专注于单一数据流量的高吞吐量计算任务。
FPGA既然是”万能的芯片“，似乎那就可以替代实现所有芯片功能。
是不是可以不研发专用芯片，只用FPGA。
相比专用集成电路：FPGA有三个劣势
1：面积大，成本高：
与专用集成电路（芯片）相比，FPGA采用LUT单元来表示基本逻辑门，其面积大致上是专用集成电路的10倍。基于此，FPGA的成本进行直接类比，其成本也会显著更高。
2：面积大，功耗高：
同样功耗表现无明显优势，实现低功耗设备并非易事，尤其是像手持供电设备这样的便携设备，基本不具备可行性。
3：运行频率低，计算效率低。
在FPGA内部，LUT之间由于互联线路较长，导致其运行频率相较于采用相同工艺的ASIC来说要慢得多。而专用电路门与门之间的延迟相比而言，要小得多。
但是，FPGA优势也很明显。
FPGA最大的优势，就是灵活性高。
用FPGA不用重新流片，节约了NRE成本。
这些技术广泛应用于多个领域，包括但不限于雷达系统、第五代移动通信技术、网络技术、存储技术以及高性能计算系统等。
在需求模糊且规模较小的情况下，没必要做芯片；而当需求经常变化时，FPGA则是理想的选择。
在Intel收购后，ALtera的重心转向数据中心市场。在FPGA领域，数据中心市场成为新的发展重点。最新的Intel IPU中采用FPGA技术，用于数据中心基础设施的卸载，类似于DPU的实现。
目前很多家DPU都是用Intel和Xilinx的FPGA实现的。
DPU需求不固定，数据中心对DPU的需求呈现动态调整趋势，具体表现为需求波动幅度逐渐增大。
全球FPGA市场在2018年的规模约为60亿美元，其中Xilinx和Altera在全球FPGA市场中占据重要地位，其他公司则处于次要地位。（2015年，英特尔以167亿美元收购了FPGA厂商Altera，这一举动使得其他公司获得的市场份额大为缩减）
老哥早些年，这两家FPGA都使用过，各有千秋。
国内有多家FPGA公司，部分公司的出货情况较为正常。与国际主要企业相比，目前仅能满足部分国产化需求，处于解决了有无的差距阶段。其规模和性能，特别是EDA工具方面，存在明显差距，仍需在市场中积累经验。
这里举两个国产FPGA的非典型案例，非常有意思。
2014年，俄罗斯被并入克里米亚，美国实施制裁，美国对俄罗斯实施的封锁禁运也相当严厉。俄罗斯芯片陷入危机，尤其是高端FPGA芯片的供应。某司的FPGA芯片抓住这一机遇，成功解决了国际合作伙伴的燃眉之急，并实现了FPGA芯片的出口，并获得了可观的利润。
此外，某手机制造商的手机屏幕具有特定的编码格式。因此，在进行返修时，只能使用原厂屏幕，其他屏幕格式无法兼容。原厂屏幕的价格通常较高。为了提升效率，某公司专门定制了一批超小型FPGA芯片，用于解码手机屏幕。中国的屏幕制造商众多，包括LCD和LED等多种类型，这些替代方案在手机返修市场表现非常出色。
在这些细分领域，找到了定位，实现了很大的突破，不论是利润还是数量。
如果有数量几十万片，几百万片，甚至更多，做专用芯片更合适。
如果没有那么多数量，需求又不固定，用FPGA更合适。
在芯片设计过程中，该环节即为FPGA原型验证。FPGA原型验证的过程是将芯片代码在FPGA平台上进行原型实现。该过程有助于提升芯片设计的迭代效率。
本文开始说：FPGA特性，就是能够描述芯片电路。
在数字芯片制作过程中，将芯片逻辑导入FPGA进行模拟测试，这一过程具有重要意义。
从这个角度看，FPGA和芯片（专用集成电路）从来就不是对立的，
FPGA，万能芯片，从功能上看是万能的，理论上可以实现所有功能。
但是从，PPA上看，性能，功耗，面积（成本），这三个维度来衡量，又是非常受限的。
FPGA也在进化，拓展更多的领域，满足那些变化的市场需求。
也有部分市场需求更为固化，被专用芯片所取代。
万能的芯片，变化的应用。
找到市场定位，解决用户的问题，才能获得一席之地。
FPGA是如此，芯片也是如此。
前辈的文章属实的干货满满，感恩的心
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