一文了解 FPGA 发展之路 —— 将功耗和价格降低一万倍

作者：Steve Trimberger，赛灵思公司，美国电子电气工程师协会 (IEEE) 研究员、美国计算机协会 (ACM) 院士、美国国家工程院院士

　　FPGA 器件自问世以来,已经经过了几个不同的发展阶段。驱动每个阶段发展的因素都是工艺技术和应用需求。正是这些驱动因素，导致器件的特性和工具发生了明显的变化。FPGA 经历了如下几个时代：

　　赛灵思于 1984 年发明了世界首款 FPGA，那个时候还不叫 FPGA，直到 1988 年 Actel 才让这个词流行起来。接下来的 30 年里，这种名为 FPGA 的器件，在容量上提升了一万多倍，速度提升了 一百倍，每单位功能的成本和能耗降低了一万多倍 (见图 1)。 

图 1：与 1988 年的赛灵思 FPGA 特征对比。价格和功耗降低一万倍。

　　这些进步主要由工艺技术所驱动， 而且人们很容易认为 FPGA 的发展只是随着工艺的发展简单地增大了容量。其实并没有这么简单。真正的故事要精彩得多。

　　首款 FPGA，即赛灵思 XC2064，只包含 64 个逻辑模块，每个模块含有两个 3 输入查找表 (LUT) 和一个寄存器。按照现在的计算，该器件有 64 个逻辑单元——不足 1000 个逻辑门。尽管容量很小，XC2064 晶片的尺寸却非常大，比当时的微处理器还要大；而且采用 2.5 微米工艺技术勉强能制造出这种器件。

　　每功能的晶片尺寸和成本至关重要。XC2064 只有 64 个触发器，但由于晶片太大，成本高达数百美元。产量对大晶片来说是超线性的，因此晶片尺寸增加 5% 就会让成本翻一倍，让良率降至零，同时也导致初期的赛灵思无产品可卖。成本控制不仅仅是成本优化的问题；更是牵扯到公司生存问题。

　　在成本压力下，FPGA 架构师寻求通过架构和工艺创新来尽可能提高 FPGA 设计效率。尽管基于 SRAM 的 FPGA 是可重编程的，但是片上 SRAM 占据了 FPGA 大部分的晶片面积。基于反熔丝的 FPGA 以牺牲可重编程能力为代价，避免了 SRAM 存储系统片上占位面积过大问题。1990 年，最大容量的 FPGA 是基于反熔丝的 Actel 1280。Quicklogic 和 Crosspoint 也跟随 Actel 的脚步开发出基于反熔丝的 FPGA。为提高效率，架构经历了从复杂的 LUT 结构到 NAND 门再到单个晶体管的演变。

　　在发明时代，FPGA 是数量远远比用户的应用产品小得多。因此，多 FPGA 系统变得流行，自动化多芯片分区软件成为 FPGA 设计套件的重要组成部分。自动布局布线尚未有。完全不同的 FPGA 架构排除了通用设计工具的可能，因此 FPGA 厂商就担负起了为各自器件开发电子设计自动化 (EDA) 的任务。由于问题比较小，FPGA（逻辑和物理）手动设计是可以接受的。手动设计与优化通常很有必要，因为芯片上布线资源有限会带来很大设计挑战。  

　　FPGA 初创公司都是无晶圆厂的公司，在当时属于新鲜事物。由于没有晶圆厂，他们在上世纪 90 年代初期通常无法获得领先的芯片技术。因此 FPGA 开启了扩展时代，此时落后于 IC 工艺的发展。到上世纪 90 年代后期，IC 代工厂意识到 FPGA 是理想的工艺发展推动因素，由此 FPGA 成为扫除工艺发展障碍的利器。代工厂只要能用新工艺产出晶体管和电线，就能制造基于 SRAM 的 FPGA。每一代新工艺的出现都会将晶体管数量增加一倍，使每功能成本减半，并将最大 FPGA 的尺寸增大一倍。化学-机械抛光(CMP)技术允许代工厂在 IC 上堆叠更多金属层，使 FPGA 厂商能够大幅增加片上互联，以适应更大的 LUT 容量 (见图 2)。   

图 2：FPGA LUT 和互连线路的增加。线路长度以数百万晶体管间距来测量。

　　占位面积变得不再像发明时代时那么宝贵。现在，占位面积可让位于性能、特性和易用性。更大的 FPGA 设计需要具有自动布局布线功能的综合工具。 到上世纪 90 年代末，自动综合、布局和布线已经成为设计流程的必要步骤。FPGA 公司的命运对 EDA 工具的依赖程度不亚于对 FPGA 功能的依赖程度。

　　最重要的是，实现容量翻番和片上 FPGA 逻辑成本减半的最简单方法是采用新一代工艺技术节点，因此，尽早采用新的工艺节点意义非凡。基于 SRAM 的 FPGA 在这个时期实现了明显的产品优势，因为它们率先采用了每种新工艺节点：基于 SRAM 的器件可立即使用密度更高的新工艺，而反熔丝在新节点上的验证工作则额外需要数月甚至数年时间。基于反熔丝的 FPGA 丧失了竞争优势。为获得上市速度和成本优势，架构创新与工艺改进相比就要退居其次。

　　新千年伊始，FPGA 已成为数字系统中的通用组件。容量和设计尺寸快速增加，FPGA 在数据通信领域开辟了巨大市场。2000年代初期互联网泡沫破灭之后，迫切需要降低成本，这也减少了很多“临时”ASIC 用户。定制芯片对小的研发团队来说风险太大。当他们发现FPGA可以解决他们的问题，自然他们就变成了 FPGA 用户。 

　　FPGA 问题不局限于典型问题，单纯提高容量不足以保证市场增长。FPGA 厂商通过如下两种方式解决了这一挑战。针对低端市场，厂商再度关注效率问题，并生产低容量、低性能、“低成本”的 FPGA 系列，例如赛灵思 Spartan® FPGA 系列。针对高端市场，FPGA 厂商通过开发针对重要功能的软逻辑 (IP) 库，努力让客户更方便地填充最大的 FPGA。这些软逻辑功能中最值得注意的是存储器控制器、各种通信协议模块（包括以太网 MAC），甚至软微处理器（如赛灵思 MicroBlaze™ 处理器）。

　　设计特点在 2000 年代发生了改变。大型 FPGA 容纳超大型设计（完整子系统）。FPGA 用户不再只是实现逻辑；他们需要使 FPGA 设计符合系统标准要求。这些标准主要是指信号和协议方面的通信标准，可用来连接外部组件或者实现内部模块通信。处理标准让 FPGA 在计算密集型应用中发挥越来越重要的作用。积累时代末期，FPGA 已不仅是门阵列，而且还是集成有可编程逻辑的复杂功能集。FPGA 俨然变成了一个系统。

　　为解决系统设计问题，FPGA 越来越多地整合系统模块：高速收发器、存储器、DSP 处理单元和完整处理器。同时还进一步集成了重要控制功能：比特流加密与验证、混合信号处理、电源与温度监控以及电源管理等。这些特性在 Zynq All Programmable 器件中得到了充分体现。同时，器件也推动了工具的发展。系统 FPGA 需要高效的系统编程语言，现可利用 OpenCL 和 C 语言以类似软件的流程来编程。

　　FPGA 发展何时才能到头？可编程性的基本价值已经为业界所共识，小型、高效的逻辑操作可加速很多重要算法并降低功耗，FPGA 技术会持续存在， 并不断发展演进。