目录
摘 要 .............................................................................................................................................. 1 一、FPGA 简介 .............................................................................................................................. 1 二、 可编程器件的发展史 ............................................................................................................. 2 三、FPGA 的发展史 ...................................................................................................................... 3
3.1 Xilinx 公司 ................................................................................................................... 3 3.2 Altera 公司 ................................................................................................................... 4 四、FPGA 的应用 .......................................................................................................................... 4
4.1 视频分割系统 ................................................................................................................. 4 4.2 数据延迟器和存储设计 ................................................................................................... 5 4.3 通信行业 ........................................................................................................................... 5 4.4 其它应用 ........................................................................................................................... 5 五、FPGA的发展趋势 ..................................................................................................................... 5
FPGA 芯片的发展史及未来趋势
摘 要
本课程报告主要介绍了 FPGA 的发展历史、应用以及发展趋势。在过去 20 多年中，应用领域的变化和半导体制造工艺的进步，对 FPGA 设计者不断提出各 种挑战。为满足用户和市场日益变化的需求，FPGA 不断在密度、功能、性能和 功耗等方面演变；面对深亚微米工艺带来的各种不良影响，如漏电流、良率、设 计复杂度等，又迫切需要最切实际的解决方案。随着挑战的发展，可以预言，未 来 FPGA 的设计技术必将继续呈现出巨大的创新与进步。 关键词： FPGA；FPGA 发展；
一、FPGA 简介
FPGA（Field－Programmable GateArray），即现场可编程门阵列，它是在 PAL、 GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 （ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克 服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA 的基本结构包括可编程输入输 出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块，嵌入式块 RAM，布线资源，内嵌 专用硬核，底层内嵌功能单元。由于 FPGA 具有布线资源丰富，可重复编程和集 成度高，投资较低的特点，在数字电路设计领域得到了广泛的应用。FPGA 的设 计流程包括算法设计、代码仿真以及设计、板机调试，设计者以及实际需求建立 算法架构，利用 EDA 建立设计方案或 HD 编写设计代码，通过代码仿真保证设 计方案符合实际要求，最后进行板级调试，利用配置电路将相关文件下载至 FPGA 芯片中，验证实际运行效果。
FPGA 设计不是简单的芯片研究，主要是利用 FPGA 的模式进行其他行业产 品的设计。与 ASIC 不同，FPG 在通信行业的应用比较广泛。通过对全球 FPGA 产品市场以及相关供应商的分析，结合当前我国的实际情况以及国内领先的 FPGA 产品可以发现相关技术在未来的发展方向，对我国科技水平的全面提高具 有非常重要的推动作用。
与传统模式的芯片设计进行对比，FPGA 芯片并非单纯局限于研究以及设计 芯片，而是针对较多领域产品都能借助特定芯片模型予以优化设计。从芯片器件 的角度讲，FPGA 本身构成 了半定制电路中的典型集成电路，其中含有数字管 理模块、内嵌式单元、输出单元以及输入单元等。在此基础上，关于 FPGA 芯片 有必要全面着眼于综合性的芯片优化设计，通过改进当前的芯片设计来增设全新 的芯片功能，据此实现了芯片整体构造的简化与性能提升。
相比于其他种类的芯片设计，关于 FPGA 芯片通常需要设置较高门槛并且拟 定严格性较强的基本设计流程。具体在设计时，应当紧密结合 FPGA 的有关原 理图，据此实现了规模较大的专门芯片设计。通过运用 Matlab 以及 C 语言的特 殊设计算法，应当可以实现全方位的顺利转化，从而确保其符合当前的主流芯片 设计思路。在此前提下，如果选择了上述设计思路那么通常需要着眼于有序整合 各类元器件以及相应的设计语言，据此保证了可用性与可读性较强的芯片程序设 计。运用 FPGA 可以实现板机调试、代码仿真与其他有关的设计操作，确保当 前的代码编写方式以及设计方案都能符合特定的设计需求。 除此以外，关于设 计算法应当将合理性置于首要性的位置， 据此实现了优化的项目设计效果，并 且优化了芯片运行的实效性。因此作为设计人员来讲，首先就是要构建特定的算 法模块， 以此来完成与之有关的芯片代码设计。这是由于预先设计代码有助保 证算法可靠性，对于整体上的芯片设计效果也能予以显著优化。在全面完成板机 调试以及仿真测试的前提下，应当可以在根源上缩短设计整个芯片消耗的周期， 同时也致力于优化当前现存的硬件整体结构。例如在涉及到开发非标准的某些硬 件接口时，通常都会用到上述的新产品设计模式。
二、 可编程器件的发展史
自 20 世纪 70 年代以来，可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device) 作为一种通用型器件迅速发展起来，改变了采用固定功能器件、自下而上的传统 数字系统设计方法。使用可编程逻辑器件，用户可通过编程的方式实现所需逻辑 功能，而不必依赖由芯片制造商设计和制造的 ASIC 芯片。 从 PLD 的发展历程 来看，按照结构区分，前后共有 4 种可编程逻辑器件类型：PLA、PAL、CPLD 和 FPGA。PLA(Programmable Logic Arrays)同时具有可编程的“与逻辑”和“或逻 辑”阵列结构，采用反熔丝编程方式，集成密度较低，只能完成相对简单的组合 逻辑功能，进行一次性编程。为实现时序逻辑，MMI 公司开发出
PAL(Programmable Array Logic)：PAL 具有可编程的“与逻辑”阵列和固定的或 门，具有 D 触发器和反馈功能，能够实现时序电路，但同样采用反熔丝编程方 式，也是一种低密度、一次性编程的逻辑器件。 由于整体架构的原因，若将 PAL 的规模和密度进一步提高，就需要增加“与逻辑”阵列的规模和更多的 I/O 端口， 由此会带来版图面积指数增长。可行的方法是将更多的 PAL 集成在一起，于是 便出现了 CPLD 器件(Complex Programmable Logic Device)。 早期 CPLD 大都 采用 EPROM[9]、Flash(闪存式存储器)或 E2PROM(电擦除可编程只读存贮器)的 可编程技术，后期基于 SRAM(静态随机存储器)可编程技术的发展使 CPLD 器件
的密度得到了提高，可实现复杂的组合和时序逻辑。由于继承了 PAL 的架构体 系，CPLD 器件规模与密度很难随着半导体工艺技术的发展而进一步提高，需要 寻求截然不同的设计方法。 基于 SRAM 可编程技术的 FPGA 概念最初由
Wahlstrom 于 1967 年提出，与 PAL 器件的“与或”逻辑阵列结构不同，FPGA 是由 许多独立的可编程逻辑模块组成，逻辑模块之间的连接通过可编程开关实现。这 种体系结构具有逻辑单元灵活、集成度高、适用范围广等优点。为充分利用连线 资源，通常 FPGA 具有多种长度的连线单元，电路的延时特性具有多种可能。 基于 SRAM 控制的可编程开关结构使可编程器件具有最大的配置灵活性，但是 与 ROM 相比，需要耗费较大的版图面积来实现可编程开关，因此直到 1984 年， 随着亚微米 CMOS 工艺的出现，Xilinx 公司才推出第一片基于 SRAM 编程技术 的 FPGA。 FPGA 既具有门阵列器件的高集成度和通用性，又具有用户可编程的 灵活性，在规模和密度上的发展并不受到整体架构的限制，同时 FPGA 还具有功 能强大的 EDA 软件的支持，在随后的 20 多年中得到了飞速发展。
三、FPGA 的发展史 3.1 Xilinx 公司
1985 年 Xilinx 公司推出全球第一款 FPGA 产品—XC2064，采用 2 m 工艺， 包含 64 个逻辑模块和 85000 个晶体管，门数量不超过 1000 门。
1991 年 Xilinx 公司推出 XC4000 系列 FPGA，这是第一款被广泛使用的 FPGA，包含 44 万个晶体管。采用 0.7 m 工艺。
1998 年 Xilinx 公司推出 Virtex 系列，是第一个百万门级的高端 FPGA，采用 0.25 m 工艺，FPGA 架构向前迈了一大步，成为传统的基于门阵列或标准单元 技术 ASIC 器件的可编程替代选择方案。
2003 年 Xilinx 公司推出世界上第一款 90nm FPGA—Spartan-3 系列。 2006 年 Xilinx 公司推出全球首个 65nm Virtex-5 系列产品，该 FPGA 基于业 内最先进的 65nm 散栅极氧化技术，取得突破进展的新 ExpressFabric 技术和工人 的 ASMBL 系列。
2009 年 Xilinx 公司推出 Virtex-6 采用 40nm 工艺构建是目标设计平台的高性 能芯片基础。功耗和成本分别比上一代产品低 50％和 20％。
2010 年 Xilinx 公司推出 7 系列 FPGA 统计架构，利用高-K 金属栅、高性能、 低功耗 28nm 工艺技术，实现低功耗、最高性能和生产力最大化。
3.2 Altera 公司
1995 年 Altera 公司推出带有嵌入式模块 RAM 的 FPGA。
2000年 Altera 公司推出世界上第一款带有硬件嵌入式处理器的 FPGA—基于 ARM 的 Excalibur 器件。
2001 年 Altera 公司推出世界上第一款带有收发器的 0.18 m FPGA—Mercury FPGA.
2002年Altera公司推出世界上第一款带有嵌入式DSP模块的FPGA—Stratix， 采用 0.13 m 工艺的成本最低的 FPGA—Cyclone。
2008 年 Altera 公司推出业界首款 40nm FPGA—StratixIV FPGA,具有高密度、 最好性能、最低功耗、最大的收发器宽带。
2010年Altera公司推出业界带宽最大的FPGA—StratixV,具有1.6Tbps串行交 换能力，采用各种创新技术和前沿 28-nm 工艺，降低了宽带应用的成本和功耗。
四、FPGA 的应用 4.1 视频分割系统
近年来，大型的总控系统得到了日益广泛的应用，与之相关的视频分割技术 水平也在逐步提高，该技术是把用多屏拼接显示的方式来显示一路视频信号，在 一些需要使用大屏幕显示的场景应用广泛。
随着技术水平的进步， 视频分割技术逐步成熟，满足了人们对于清晰视频 图像的基本需求、 FPGA 芯片硬件结构比较特殊，可以利用事先编辑的逻辑结 构文件调整内部结构，利用约束的文件来调整不同逻辑单元的连接和位置，妥善 处理好数据线路径，其自身具有的灵活性和适应性方便用户的开发和应用。在处 理视频信号时，FPGA 芯片可以充分利用自身的速度和结构优势，实现兵乓技术 和流水线技术。在对外连接的过程中，芯片采用数据并行连接的方式，使图像信 息的位宽拓宽，利用内部的逻辑功能提高图像处理的速度。通过高速缓存结构以 及时钟管理实现对图像处理以及其他设备的控制。在整体的设计结构中，FPGA 芯片处于核心位置，复杂数据的插值处理以及提取和存储，还起到总体控制的作 用，保证系统的稳定运行。另外，视频信息处理与其他数据处理不同，需要芯片 具有特殊的逻辑单元以及 RAM 或者 FIFO 单元，保证提高足够的数据传输速度。
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