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全面解析FPGA基础知识

FPGA (Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列。它是在PLA、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,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。

1、 FPGA简介

FPGA普遍用于实现数字电路模块,用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,以实现用户的需求。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。可以毫不夸张的讲,FPGA能完成任何数字器件的功能,下至简单的74电路,上至高性能CPU,都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。

2、FPGA发展史

FPGA的发展历史如下图所示。相对于PROM、PAL/GAL、CPLD而言,FPGA规模更大性能更高。

图1 FPGA发展史

FPGA芯片主流生产厂家包括Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi,其中前两家的市场份额合计达到88%。目前FPGA主流厂商全部为美国厂商。国产FPGA由于研发起步较美国晚至少20年,目前还处于成长期,仅限于低端,在通信市场还没有成熟应用。

2015年12月,Intel公司斥资167亿美元收购了Altera公司。Altera被收购后不久即制定了英特尔处理器与FPGA集成的产品路线图。这两种产品集成的好处是可以提供创新的异构多核架构,适应例如人工智能等新市场的需求,同时能大幅缩减功耗。

图2 FPGA在电信领域的应用历史

FPGA在航天、军工、电信领域有非常成熟和广泛的应用。以电信领域为例,在电信设备一体机阶段,FPGA由于其编程的灵活性以及高性能被应用网络协议解析以及接口转换。

在NFV(NetworkFunction Virtualization阶段,FPGA基于通用服务器和Hypervisor实现网元数据面5倍的性能提升,同时能够被通用Openstack框架管理编排。

在云时代,FPGA已经被作为基本IaaS资源在公有云提供开发服务和加速服务,AWS、华为、BAT均有类似通用服务提供。

截至目前,Intel的Stratix 10器件已被成功应用于微软实时人工智能云平台Brainwave项目。

3、两家主流FPGA公司发展近况

Xilinx聚焦芯片领先和丰富的加速解决方案,通过开放策略获得主流云平台支持,确立了其在数据中心的领先地位。其UltraScale+系列FPGA领先友商1年多,使其在云平台竞争中占领先机,其VU9P器件被大量应用于包括AWS、Baidu、Ali、Tencent及华为在内的多家公司的云计算平台。

为满足加速器领域对FPGA芯片日益递增的性能需求,Xilinx已发布面向数据中心的下一代ACAP芯片架构、推出7nm Everest器件。此器件已不属于传统的FPGA,它集成了ARM、DSP、Math Engine处理器阵列等内核,将于2019年量产。相较于VU9P,Everest支持的AI处理性能将能提升20倍。

Intel则提供从硬件到平台到应用的全栈解决方案,不开放硬件和平台设计以避免生态碎片化,投入巨大但进展缓慢。

图3 Xilinx产品系列图

图4 Intel(以Stratix系列为例)产品工艺年代

FPGA在数据中心服务器市场的实际应用中存在一定技术难点,具体包括如下几方面:

1、编程门槛较高:硬件描述语言不同于软件开发语言,需要开发者对底层硬件有着较深刻的认识;因此人才也就成为限制FPGA应用的一个重要因素。据了解,目前国内从事FPGA开发的人员初步估计大约两万多人。

2、集成难度较大:FPGA开发与应用需要软硬件的协同,包括使用高级语言的系统建模、硬件代码(电路)设计、硬件代码仿真、底层驱动软件与硬件逻辑的联调等等。

3、开发周期相对软件要长:硬件开发比软件开发过程复杂,调试周期也被拉长。

4、很难获取独立逻辑IP。

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