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FPGA (Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。它是在PLA、PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

1、 FPGA簡介

FPGA普遍用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路模塊，用戶可對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的需求。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。可以毫不夸張的講，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，下至簡單的74電路，上至高性能CPU，都可以用FPGA來實(shí)現(xiàn)。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。

2、FPGA發(fā)展史

FPGA的發(fā)展歷史如下圖所示。相對(duì)于PROM、PAL/GAL、CPLD而言，F(xiàn)PGA規(guī)模更大性能更高。

圖1 FPGA發(fā)展史 

FPGA芯片主流生產(chǎn)廠家包括Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi，其中前兩家的市場(chǎng)份額合計(jì)達(dá)到88%。目前FPGA主流廠商全部為美國廠商。國產(chǎn)FPGA由于研發(fā)起步較美國晚至少20年，目前還處于成長期，僅限于低端，在通信市場(chǎng)還沒有成熟應(yīng)用。

2015年12月，Intel公司斥資167億美元收購了Altera公司。Altera被收購后不久即制定了英特爾處理器與FPGA集成的產(chǎn)品路線圖。這兩種產(chǎn)品集成的好處是可以提供創(chuàng)新的異構(gòu)多核架構(gòu)，適應(yīng)例如人工智能等新市場(chǎng)的需求，同時(shí)能大幅縮減功耗。

圖2 FPGA在電信領(lǐng)域的應(yīng)用歷史 

FPGA在航天、軍工、電信領(lǐng)域有非常成熟和廣泛的應(yīng)用。以電信領(lǐng)域?yàn)槔陔娦旁O(shè)備一體機(jī)階段，F(xiàn)PGA由于其編程的靈活性以及高性能被應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析以及接口轉(zhuǎn)換。

在NFV（NetworkFunction Virtualization階段，F(xiàn)PGA基于通用服務(wù)器和Hypervisor實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元數(shù)據(jù)面5倍的性能提升，同時(shí)能夠被通用Openstack框架管理編排。

在云時(shí)代，F(xiàn)PGA已經(jīng)被作為基本IaaS資源在公有云提供開發(fā)服務(wù)和加速服務(wù)，AWS、華為、BAT均有類似通用服務(wù)提供。

截至目前，Intel的Stratix 10器件已被成功應(yīng)用于微軟實(shí)時(shí)人工智能云平臺(tái)Brainwave項(xiàng)目。

3、兩家主流FPGA公司發(fā)展近況

Xilinx聚焦芯片領(lǐng)先和豐富的加速解決方案，通過開放策略獲得主流云平臺(tái)支持，確立了其在數(shù)據(jù)中心的領(lǐng)先地位。其UltraScale+系列FPGA領(lǐng)先友商1年多，使其在云平臺(tái)競(jìng)爭中占領(lǐng)先機(jī)，其VU9P器件被大量應(yīng)用于包括AWS、Baidu、Ali、Tencent及華為在內(nèi)的多家公司的云計(jì)算平臺(tái)。

為滿足加速器領(lǐng)域?qū)?/span>FPGA芯片日益遞增的性能需求，Xilinx已發(fā)布面向數(shù)據(jù)中心的下一代ACAP芯片架構(gòu)、推出7nm Everest器件。此器件已不屬于傳統(tǒng)的FPGA，它集成了ARM、DSP、Math Engine處理器陣列等內(nèi)核，將于2019年量產(chǎn)。相較于VU9P，Everest支持的AI處理性能將能提升20倍。

Intel則提供從硬件到平臺(tái)到應(yīng)用的全棧解決方案，不開放硬件和平臺(tái)設(shè)計(jì)以避免生態(tài)碎片化，投入巨大但進(jìn)展緩慢。

圖3 Xilinx產(chǎn)品系列圖 

圖4 Intel(以Stratix系列為例)產(chǎn)品工藝年代 

FPGA在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用中存在一定技術(shù)難點(diǎn)，具體包括如下幾方面：

1、編程門檻較高：硬件描述語言不同于軟件開發(fā)語言，需要開發(fā)者對(duì)底層硬件有著較深刻的認(rèn)識(shí)；因此人才也就成為限制FPGA應(yīng)用的一個(gè)重要因素。據(jù)了解，目前國內(nèi)從事FPGA開發(fā)的人員初步估計(jì)大約兩萬多人。

2、集成難度較大：FPGA開發(fā)與應(yīng)用需要軟硬件的協(xié)同，包括使用高級(jí)語言的系統(tǒng)建模、硬件代碼（電路）設(shè)計(jì)、硬件代碼仿真、底層驅(qū)動(dòng)軟件與硬件邏輯的聯(lián)調(diào)等等。

3、開發(fā)周期相對(duì)軟件要長：硬件開發(fā)比軟件開發(fā)過程復(fù)雜，調(diào)試周期也被拉長。

4、很難獲取獨(dú)立邏輯IP。