FPGA芯片的发展史及未来趋势报告

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。

4.2 数据延迟器和存储设计

FPGA 具有可编程的延迟数字单元，在通信系统和各类电子设备中有着比较

广泛的应用，比如同步通信系统，时间数值化系统等，主要的设计方法包括数控延迟线法，存储器法，计数器法等，其中存储器法主要是利用 FPGA 的 RAM 或

者 FIFO 实现的。

利用 FPGA 对 SD 卡相关数据进行读写可以依据具体算法的需求低 FPGA

芯片开展编程，更加实际情况的变化实现读写操作的不断更新。这种模式之下只需要利用原有的芯片便可以实现对 SD 卡的有效控制，明显降低了系统的成本。

4.3 通信行业

通常情况下，通信行业综合考虑成本以及运营等各方面的因素，在终端设备数量比较多的位置，FPGA 的用量比较大，基站最适合使用 FPGA，基站几乎每

一块板子都需要使用 FPGA 芯片，而且型号比较高端，可以处理复杂的物理协议，实现逻辑控制。同时，由于基站的逻辑链路层，物理层的协议部分需要定期更新，也比较适合采用 FPGA 技术。目前，FPGA 主要在通信行业的建设初期和中期应用，后期逐步被 ASIC 替代。

4.4 其它应用

FPGA 在安防，工业等领域也有着比较广泛的应用，比如安防领域的视频编

码解码等协议在前端数据采集和逻辑控制的过程中可以利用

FPGA 处理。工业领域主要采用规模较小的 FPGA，满足灵活性的需求。另外，由于 FPGA 具有比较

高的可靠性，因此在军工以及航天领域也有比较广泛的应用。未来，随着技术的不断完善，相关工艺将会完成升级改造，在诸多新型行业比如大数据等，FPGA 将会有更为广泛的应用前景。伴随 5G 网络的建设，初期会大量应用 FPGA，人工智能等新型的领域也会更多的用到 FPGA。

五、FPGA的发展趋势

FPGA 发展主要有以下几个值得注意的方向： (1) 规模越来越大，集成度越来越高

早期的 FPGA 规模只有几千门，2006 年 5 月份，xilinx 公司推出世界上第一个

65nm FPGA 系列——Virtex-5。基于 65nm 三极栅氧化层技术、11 层铜布线工艺、

低 K 材料、新型镍硅自对准技术、新型 ExpressFabric 技术和 AsMBL 架构，可

以提供 330 000 个逻辑单元(可编程逻辑门约 660 万门)和 1 200 个用户 I／0。

(2) 速度不断提高，性能不断提升

xilinx 2006 年推出的 Virtex 一 5 Lx 性能和利用率都很高，同时功耗大幅度降低。Virtex一5 Lx FPGA比上一代90nm FPGA提供高出30％的性能，少占用45％

的硅片面积，以及提供比上一代 90nm FPGA 低 35％的业界最低动态功耗。Virtex

一 5 Lx 系列还通过性能优化的 IP 块拥有了 550MHz 时钟频率。高性能 SelectIo

特性提供了到667Mbps DDR2 SDRAM和1200Mbps QDR II SRAM等外部存储器

的最快连接。ALtera 公司于 2006 年 11 月份推出 stratix III 的 65nmFPGA 系列。stratix III 比前一代器件快 25％，密度是前一代

FPGA 的 2 倍，功耗降低了 50％，支持四十多个 I／o 接口标准，具有业界一流的性能、灵活性和信号完整性。

(3)IP 库的利用

当前具有 IP 内核的系统级 FPGA 的开发主要体现在两个方面：一方面是

FPGA 厂商将 IP 硬核(指完成版图设计的功能单元模块)嵌入到 FPGA 器件中；另

一方面是大力扩充优化的 IP 软核(指利用 HDL 语言设计并经过综合验证的功能

单元模块)，用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的 IP 核资源，有

效地完成复杂的片上系统设计。 (4) 价格越来越低

FPGA 市场的激烈竞争推动了价格的不断下调。基于 sRAM 的 FPGA 的价格

下降很快，每 1 万门的单价在 2004 年底降至 1 美元，到 2005 年降至 0．5 美元。～tera 公司于 2005 年第二季度开始批量生产的低端 FPGAcycloneⅡ，其约 33 万门

的产品将以 22 美元的价格供货。相当于每一万门的单价为 0．65 美元左右。

(5) 向可编程系统芯片(SOPC) 方向发展

可编程系统级芯片(SOPC)具有 ASIC 的高集成度、低功耗、小尺寸、低成本的优点，同时具有 FPGA 的低风险、灵活和快速上市的优点。Altera 推出的支持新款CycloneⅡFPGA 系列的 NiosII 嵌入式处理器，允许设计者在很短的时间内构建—

个完整的可编程系统芯片，风险和成本比中小规模的 ASIC 小。实现 PSoC 主要

有两种途径，一种是在 FPGA 中嵌入专用功能的 IP 核，实现 SOC 的功能，另一

种是将可编程逻辑 IP 核嵌入到 SOC 中。

（6）片上集成资源不断丰富

随着半导体技术的进步，各大厂商在不断的扩充 FPGA 片上集成资源，包括嵌入

式处理器、可编程存储器、高速收发器、嵌入式逻辑分析仪、复杂数字信号处理

模块等，这些片上集成资源都经过 FPGA 设计厂商的验证和优化，可确保其功能和性能。目前主流 FPGA 可通过配置在片内实现软核处理器，或直接在 FPGA

中集成硬核处理器。集成软核还是硬核取决于对系统的性能、功能、应用和可重构性的平衡考虑。硬核处理器一般作为独立的专用模块集成于 FPGA 中，与软核相比具有更高的性能，但在可重构性和灵活性上有所不足。在 FPGA 中实现软

核处理器具有较大的优势，其灵活的总线结构、可扩展性、并行处理能力等都是硬核处理器无法比拟的，用户可根据具体设计的需要灵活配置软核处理器，选择外围 IP 模块，还可以通过编程使用多个处理器实现并行运算。

（7）为低功耗成为 FPGA 的设计目标

制造工艺的发展使 FPGA 静态的漏电流不断增大，这个问题从 90 nm 开始尤其显著。为降低静态功耗，设计者们在 FPGA 中对速度不关键的晶体管，通过提高阈值、增大栅氧层厚度，增大沟道长度的方式，减小其漏电流。相反，对于关键时序路径上的晶体管，则降低其阈值，减小栅氧层厚度，减小沟道长度，以提高晶体管的传输速度，满足时序要求。电路设计者们也提出多种解决方案：采

用冗余的 SRAM 位控制多输入 MUX，将不使用的 MUX 信号通路关闭，降低动

态功耗；对晶体管采用不同的体偏置，改善亚阈值翻转漏电流现象，降低静态功耗；在速度不关键的路径，采用晶体管堆叠的电路结构，降低静态功耗等。

在 FPGA 设计的综合和布局布线过程中，主流 EDA 软件可通过多种手段对

电路进行优化，以降低动态功耗：合理规划逻辑模块布局，选择合适的逻辑输入，降低逻辑模块总面积和连线要求，降低布线的动态功耗；修改布局，降低时钟功耗；对时序不重要的数据信号进行布线时，可降低其速率以减小动态功耗。