FPGA (Field Programmable Gate Array)即現場可編程門陣列。它是在PLA、PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產(chan) 物。它是作為(wei) 專(zhuan) 用集成電路(ASIC)領域中的一種半定製電路，既解決(jue) 了定製電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

1、 FPGA簡介

FPGA普遍用於(yu) 實現數字電路模塊，用戶可對FPGA內(nei) 部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現用戶的需求。它還具有靜態可重複編程和動態在係統重構的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。可以毫不誇張的講，FPGA能完成任何數字器件的功能，下至簡單的74電路，上至高性能CPU，都可以用FPGA來實現。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳(chuan) 統的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設計一個(ge) 數字係統。

2、FPGA發展史

FPGA的發展曆史如下圖所示。相對於(yu) PROM、PAL/GAL、CPLD而言，FPGA規模更大性能更高。

圖1 FPGA發展史 

FPGA芯片主流生產(chan) 廠家包括Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi，其中前兩(liang) 家的市場份額合計達到88%。目前FPGA主流廠商全部為(wei) 美國廠商。國產(chan) FPGA由於(yu) 研發起步較美國晚至少20年，目前還處於(yu) 成長期，僅(jin) 限於(yu) 低端，在通信市場還沒有成熟應用。

2015年12月，Intel公司斥資167億(yi) 美元收購了Altera公司。Altera被收購後不久即製定了英特爾處理器與(yu) FPGA集成的產(chan) 品路線圖。這兩(liang) 種產(chan) 品集成的好處是可以提供創新的異構多核架構，適應例如人工智能等新市場的需求，同時能大幅縮減功耗。

圖2 FPGA在電信領域的應用曆史 

FPGA在航天、軍(jun) 工、電信領域有非常成熟和廣泛的應用。以電信領域為(wei) 例，在電信設備一體(ti) 機階段，FPGA由於(yu) 其編程的靈活性以及高性能被應用網絡協議解析以及接口轉換。

在NFV（NetworkFunction Virtualization階段，FPGA基於(yu) 通用服務器和Hypervisor實現網元數據麵5倍的性能提升，同時能夠被通用Openstack框架管理編排。

在雲(yun) 時代，FPGA已經被作為(wei) 基本IaaS資源在公有雲(yun) 提供開發服務和加速服務，AWS、華為(wei) 、BAT均有類似通用服務提供。

截至目前，Intel的Stratix 10器件已被成功應用於(yu) 微軟實時人工智能雲(yun) 平台Brainwave項目。

3、兩(liang) 家主流FPGA公司發展近況

Xilinx聚焦芯片領先和豐(feng) 富的加速解決(jue) 方案，通過開放策略獲得主流雲(yun) 平台支持，確立了其在數據中心的領先地位。其UltraScale+係列FPGA領先友商1年多，使其在雲(yun) 平台競爭(zheng) 中占領先機，其VU9P器件被大量應用於(yu) 包括AWS、Baidu、Ali、Tencent及華為(wei) 在內(nei) 的多家公司的雲(yun) 計算平台。

為(wei) 滿足加速器領域對FPGA芯片日益遞增的性能需求，Xilinx已發布麵向數據中心的下一代ACAP芯片架構、推出7nm Everest器件。此器件已不屬於(yu) 傳(chuan) 統的FPGA，它集成了ARM、DSP、Math Engine處理器陣列等內(nei) 核，將於(yu) 2019年量產(chan) 。相較於(yu) VU9P，Everest支持的AI處理性能將能提升20倍。

Intel則提供從(cong) 硬件到平台到應用的全棧解決(jue) 方案，不開放硬件和平台設計以避免生態碎片化，投入巨大但進展緩慢。

圖3 Xilinx產(chan) 品係列圖 

圖4 Intel(以Stratix係列為(wei) 例)產(chan) 品工藝年代 

FPGA在數據中心服務器市場的實際應用中存在一定技術難點，具體(ti) 包括如下幾方麵：

1、編程門檻較高：硬件描述語言不同於(yu) 軟件開發語言，需要開發者對底層硬件有著較深刻的認識；因此人才也就成為(wei) 限製FPGA應用的一個(ge) 重要因素。據了解，目前國內(nei) 從(cong) 事FPGA開發的人員初步估計大約兩(liang) 萬(wan) 多人。

2、集成難度較大：FPGA開發與(yu) 應用需要軟硬件的協同，包括使用高級語言的係統建模、硬件代碼（電路）設計、硬件代碼仿真、底層驅動軟件與(yu) 硬件邏輯的聯調等等。

3、開發周期相對軟件要長：硬件開發比軟件開發過程複雜，調試周期也被拉長。

4、很難獲取獨立邏輯IP。