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。

深入剖析大芯片的深层结构，我们能够发现，这类大芯片本质上由与非门、或非门等基本逻辑门构成。

这就是电路，CPU和GPU也是一种电路的组织形式。

即使芯片的复杂程度很高，芯片设计工程师也会利用硬件描述语言（HDL）来描述芯片电路。

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至电路设计，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。流片部门将GDS转换为硅基材料。封装部门则将硅基材料（DIE）封装至完整的CHIP。

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。

我们所指的卡脖子现象，目前主要体现在制造环节中，具体涉及从版图规划到硅材料生产的阶段。其他领域也存在类似问题，但目前这个问题暂不深入探讨，待有时间再做专题分析。

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，最终无法售出，不得不重新设计。这令人震惊，小型芯片公司因芯片失败导致资金耗尽，直接推出市场也是常见现象。

第二，芯片投入高：

芯片研发涵盖了流片成本、IP成本以及人力成本等多个方面。28nm的MASK成本约为1000万，12nm的约为2500万。除了这些，还有人力成本和IP成本等。研发一颗28nm的芯片，总投入成本可能达到几千万甚至更多。相比之下，7nm和5nm的投入则达到数亿元。这么高的研发成本（NRE），未来需要将其摊到每一颗芯片上。

对于一个项目或需求，如果其数量有限，仅几千或几万颗，那么是否值得投入研发芯片就是一个需要考虑的问题。

由于布局不适用，因此没有替代方案。通过缩短迭代周期并降低成本，得以实现这一电路。

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。

FPGA不仅支持数字电路功能，同样可以实现。例如CPU、GPU和NPU等这些电路，都可以通过FPGA内部实现，但效率可能因具体设计而异。

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

我们以电路形式F=A&B&C&D为例进行说明：该16x1的RAM的每一个bit都可以被设置为0或1。

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。

建议大家动手试试：通过调整16bitRAM 的设置，可以支持对A、B、C、D四个输入的所有逻辑操作进行处理。

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仅能实现数字组合逻辑，因此需要增添一个寄存器ff，可以实现数据的保持。

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）。

这种被称为能够处理四个输入计算的LUT，通常被称为4输入LUT。此外，还有5输入、6输入等类型的变种类型。

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，。

FPGA成功实现了大量Logic Block（每个Logic Block由LUT和FF构成）的阵列结构，这些Logic Block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）进行电路设计，随后将设计转换为bit流配置文件。

相较于以往，专用芯片的开发过程从HDL（如Verilog的电路描述语言）开发到硅制造。整个开发周期由此显著延长。

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，不仅包含用于配置LUT的配置文件，同时包含用于配置布线资源的配置文件。

到这里，FPGA的设计及编程就完成了。

简单明了！

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。

该 accompanying diagram illustrates an open-source FPGA design flow (OpenFPGA). It is worth noting that even within an open-source project, the essential EDA tools required for its implementation must be identified.

这些需要给客户的EDA工具包括：

• 1：综合类工具
• 2：布局布线类工具
• 3：bit生成类工具
• 4：时序分析类工具
• 5：仿真类工具
• 6：嵌入式逻辑分析类仪器等调试工具
• 7：功耗分析类工具

这些集合可以被视为最小规模的，但相比而言，这些集合的实现难度显著高于一个CPU芯片上提供的GCC编译工具。

老哥安装过某个公司开发的EDA工具，这些工具的体积都是大约十几个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。

除了现有的EDA工具，能够实现HDL功能，例如Verilog这种高级级数语言之外，还包括HLS（高级综合（High-level Synthesis））这种高层次的综合描述语言。

HLS的引入使软件工程师得以参与FPGA设计流程，将硬件开发的复杂性隐含其中，软件开发更加便捷，这正是EDA工具的强大功能的体现。

然而，本质上来说，通过将高级语言（如C，C++）转化为硬件描述语言（HDL描述），随后经过综合工具的转换，最终生成硬件电路。

主要优点在于更符合软件工程师的习惯使用。然而，引入了额外的转换步骤可能导致效率上的损失。

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。

这些新产品的亮点在于中央处理器（CPU），其硬核CPU系统集成于FPGA内部，甚至支持操作系统（OS）的操作。

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也是高端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。

在人工智能时代，FPGA集成有用于AI处理的神经网络加速的核心功能，为该领域提供了重要支持。

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的支撑；
3：DSP：支持乘法运算、滤波器设计以及数字信号处理模块；
4：SERDES：支持实现PCIE、SATA、FC总线以及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则采用时间串行处理方式。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，在通用计算任务中展现出极高的灵活性，与FPGA相比，这种计算方式更适合特定任务。

专用标准集成电路（Application Specific Standard Parts，ASIP）是专为特殊应用设计的集成电路。FPGA更适合应用于ASSP，与CPU协同工作，专注于处理单一领域的大规模数据计算任务。

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：

相较于专用集成电路（芯片），FPGA在采用LUT表示基本逻辑门单元方面具有显著差异。具体而言，其面积大约是专用集成电路的10倍，这使得其成本进行粗略估计也会显著更高。

2：面积大，功耗高：

同样，功耗方面也没有优势。实现低功耗设备，例如手持供电设备，其效率基本无法满足需求。

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来说要低得多。专用电路中的各门电路之间的时间延迟相对较小。

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。

在这些领域中，雷达系统、5G网络技术、网络存储系统和高性能计算领域得到了广泛应用。

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。

在收购后，FPGA的应用重心转向了数据中心领域。值得注意的是，投入力度较大，最新的Intel IPU中采用FPGA技术，用于处理数据中心基础设施的卸载任务，其功能与DPU相似。

目前很多家DPU都是用Intel和Xilinx的FPGA实现的。

这主要体现在DPU需求呈现波动性特征，而数据中心对DPU的需求呈现动态调整趋势。

FPGA全球市场在2018年约为60亿美元，Xilinx和Altera是该市场的主要供应商，其他公司则处于次要地位。值得注意的是，2015年英特尔以167亿美元收购Altera后，其余公司所获得的市场份额急剧减少。

老哥早些年，这两家FPGA都使用过，各有千秋。

国内也有一些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，目前处于解决了有无差距的阶段，能够部分满足国产化需求。在规模和性能方面，尤其是EDA工具方面，存在明显差距，仍需在市场中继续磨练。

这里举两个国产FPGA的非典型案例，非常有意思。

2014年，俄罗斯并入了克里米亚。美国实施了制裁政策。美国对俄罗斯实施了严厉的封锁和禁运措施，这一行动效果显著。俄罗斯芯片面临短缺问题，尤其是高端FPGA芯片。某公司迅速抓住了这一机遇，帮助解决了国际友人的燃眉之急，实现了该公司高端FPGA芯片的出口，并获得了可观的利润。

另外，某手机大厂的屏幕存在特殊转码格式，因此在进行返修时，只能更换原厂屏幕，其他屏幕格式无法兼容，导致原厂屏价格昂贵。该厂为了应对这一问题，委托定制了一批超小型FPGA，用于实现手机屏幕的解码功能。目前，市场上具备解码能力的屏幕厂数量众多（包括LCD和LED等多种类型），通过这一技术替代原厂屏，已经在手机返修屏市场取得了良好的销售效果。

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，其中一项关键环节被称为FPGA原型验证。通过将芯片代码放置在FPGA上进行原型实现，从而显著缩短芯片设计迭代周期。

本文开始说：FPGA特性，就是能够描述芯片电路。

在数字芯片量产之前，通过FPGA导入芯片逻辑进行模拟测试，是整个流程中的一个关键步骤。

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

本文来自：[《FPGA芯片的“本质”是什么？》]