FPGA是什么 —— 它的工作原理及其用途

FPGA是什么？

現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，簡稱 FPGA）是一種集成電路（IC），可以開發定制邏輯，用于快速原型設計和最終系統設計。FPGA與其他定制或半定制的集成電路不同，其自身的靈活性使其可以通過下載軟件進行編程和重新編程，適應所設計的大型系統不斷變化的需求。FPGA非常適合當今各類快速發展的應用，如網絡邊緣計算、人工智能（AI）、系統安全、5G、工廠自動化和機器人技術。

為什么使用FPGA而不是其他類型的集成電路？

FPGA的主要優勢在于其可編程架構，它允許設計人員對器件進行快速編程（和重新編程），以執行幾乎任何功能。通過使用可下載的軟件更新，即使在FPGA集成到應用中后，也可以實現這種可重新編程性（因此，“現場可編程門陣列”中的“現場可編程”由此得名）。這種固有的靈活性還有助于加快基于FPGA設計的上市，因為FPGA的功能可以與整體系統設計同步開發或更改。

FPGA的另一個優點是其并行處理能力。通過其架構中的海量的門，FPGA能夠以并行方式處理數據，即同時執行操作，而不是按順序執行。這種處理方式更適合高性能計算應用（如人工智能），以更低的時鐘速度、更低的功耗提供更高的性能。

其他類型的集成電路，如微控制器（MCU）、微處理器（MPU）、專用集成電路（ASIC）和專用標準產品（ASSP），在部署時具有固定功能，采用串行方式（即一個接一個）運行。缺乏可編程性會縮短系統部署后的使用壽命。串行處理會導致功耗增加，因為集成電路需要使用更高速的時鐘才能跟上處理工作量。這對于需要更高計算性能的應用（如網絡邊緣人工智能，也需要支持低功耗運行）來說是個問題。

如何對FPGA進行編程或配置？

FPGA需要進行配置，這樣器件的邏輯電路和互連線資源才能知道它們在實現特定應用時應發揮什么作用。開發人員使用專用軟件（一般由FPGA供應商提供），通過圖形設計捕獲（一般用于較小的FPGA）或硬件描述語言（HDL）設計FPGA中要實現的邏輯。

然后，軟件通過綜合來“編譯”設計，之后根據最適合目標FPGA對邏輯布局布線，然后軟件創建一個位流，用于配置（或編程）FPGA。位流下載到FPGA后，器件就可以執行自定義的任務。

FPGA用在何處？

簡而言之，無處不在。FPGA被廣泛應用于不斷增長的通信、計算、工業、汽車和消費市場，包括人工智能和機器學習（ML）推理、數據協同處理、嵌入式視覺和安全系統控制等等。