什么是FPGA？为什么FPGA会如此重要？

CPU、GPU、FPGA三者能力相加就是芯片的未来！

很多粉丝问我，嵌入式方向中的FPGA怎么样？收入如何？

前言

讲述FPGA前，我们先讲讲当年中兴被制裁的问题。

美国前总统特朗普曾经发布过一条禁令，由于中兴违反了美国的某个条例，禁止美国已经国外任何一家公司向中兴销售FPGA芯片。

这个时候，一定会有抬杠青年说，我见过国内生产的FPGA芯片，还用过呢。【通常遇到这一类质疑声，我一般都会说：你是对的！】

后来中兴没有办法，只能妥协了，美国派了人入驻中兴，还签了一些协议。最后才恢复到原来的买卖关系中。

要知道CPU、GPU、FPGA三者能力相加就是芯片的未来！

FPGA门槛之高在芯片行业里无出其右。

FPGA是一个本领群集型的行业，没有坚实的本领功底，很难造成有角逐力的产物。

好了，我们来介绍下到底什么是FPGA吧！

一、什么是FPGA？

FPGA 是一种硬件可重构的体系结构。它的英文全称是Field Programmable Gate Array，中文名是现场可编程门阵列。

FPGA就是一个可以通过编程来改变内部结构的芯片，FPGA常年来被用作专用芯片（ASIC）的小批量替代品，

同时也在微软、百度等公司的数据中心大规模部署，已同时提供强大的计算能力和足够的灵活性。

在没有FPGA之前，要想实现一个新计算机体架构的设计想法，

必须要开发一个ASIC作为原型，在面板上安装很多个体积庞大的IC。

但是，与这些需要投入巨大成本和精力的方式不同，一旦用户创建了具有多个FPGA的原型板，就可以立即运行您设计的新架构。

而且，修正和更改规格也变得轻松简单。

要知道、流片的价格可不低！

因此，许多新的架构应运而生因此，对可重构处理器的研究和对新FPGA架构的研究也开始蓬勃发展，

在此之后，FPGA使用灵活，适用性强的特征在通信/图像处理领域也大获好评，并将其应用于路由器等通信网络的各种设备中。

与ASIC的概念截然相反，FPGA的概念是在短时间能以低成本让用户得到想要的逻辑。

赛灵思Xilinx公司

可编程FPGA技术于上个世纪80年代初由美国赛灵思Xilinx公司发明。

Xilinx于1985年首次推出商业化产品“XC2000”。

近40年来，先后有超过60家以上的公司从事过FPGA技术与产品的研发，

其中包括Intel、IBM、AMD、TI、GE、AT&T、摩托罗拉、朗讯、三星、东芝、飞利浦等实力雄厚的大公司，

但绝大多数在耗费了上亿美元后功亏一篑！

欧洲、日本、韩国、等经济强国和中国台湾等地区都尚未真正掌握其核心技术。

二、FPGA的应用场景

FPGA是集成电路大产业中的小领域，5G和AI为行业增长提供确定性，国产替代叠加行业增长，国产FPGA市场腾飞在即。

全球FPGA市场规模走势及未来预测：

借助5G、自动驾驶、AI，FPGA需求还在逐步增大，未来空间还非常巨大。

1，通信领域。

通信领域需要高速的通信协议处理方式，另一方面通信协议随时都在修改，不适合做成专门的芯片，所以能够灵活改变的功能的FPGA就成了首选

电信行业一直大量使用FPGA。电信标准不断变化，建造电信设备非常困难，因此首先提供电信解决方案的公司往往会占领最大的市场份额。由于ASIC需要花费很长时间才能制造，因此FPGA提供了捷径的机会。最初的电信设备版本开始采用FPGA，这引发了FPGA价格冲突。尽管FPGA的价格与ASIC仿真市场无关紧要，但电信芯片的价格却很重要。许多年前，AT＆T和朗讯制造了自己的FPGA，称为ORCA（优化的可重配置单元阵列），但就硅片的速度或尺寸而言，它们与Xilinx或Altera不具有竞争优势。

2，算法领域。

FPGA对于复杂信号的处理性很强，可以处理多维信号。

3，嵌入式领域。

利用FPGA构建一个嵌入式的底层环境，然后在此之上编写一些嵌入式软件，事务性的操作更加繁杂一些，对FPGA的操作较少。

4，在安防监控领域

目前CPU很难做到多通道处理和只能检测分析，但是加上FPGA之后就可以轻松解决了，尤其在图形算法领域有得天独厚的优势。

5，在工业自动化领域

FPGA可以做到多通道的马达控制，目前马达电力消耗占据全球能源消耗的大头，在节能环保的趋势下，未来各类精准控制马达得以采用，一片FPGA就可以控制大量的马达。

三、公司

FPGA多年来被四大巨头Xilinx（赛灵思）、Altera（阿尔特拉）、Lattice（莱迪思）、Microsemi(美高森美)垄断。

还有一些小公司勉强在夹缝中生存。

其中Xilinx(赛灵思)是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商。 Xilinx研发、制造并销售范围广泛的高级集成电路、软件设计工具以及作为预定义系统级功能的IP（Intellectual Property）核。

国外三巨头占据90%全球市场，国产厂商暂时落后。

FPGA市场呈现双寡头垄断格局，Xilinx和Altera分别占据全球市场56%和31%，

在中国FPGA市场中，占比也高达52%和28%，

由于技术、资金、人才上的壁垒及FPGA量产带来的规模经济，行业领导者地位较为稳定。

国产厂商目前在中国市场占比约4%，未来随着国产厂商技术突破，

FPGA领域国产替代或将是百亿级的机会，替代空间广阔。

Altera目前已被Intel收购，AMD正在收购赛灵思，预计2021年底完成收购。

我国FPGA公司

• 1、京微齐力：二次创业，瞄准AI云边端
• 2、上海遨格芯：从编译软件切入生态链
• 3、广东高云：28nm中高密度FPGA
• 4、深圳紫光同创：高性能FPGA已量产商用
• 5、西安智多晶：小米为第四大股东
• 6、上海安路科技：28nm今年批量供应
• 7、成都华微科技：出身国家“909”工程
• 8、上海复旦微电子：超大规模亿门级FPGA

五、IP核

FPGA有个最重要的概念就是IP核。

IP(Intelligent Property) 核是具有知识产权核的集成电路芯核总称，是经过反复验证过的、具有特定功能的宏模块，与芯片制造工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中。

如果还不理解，你就当他是一个软件模块，或者是一个积木的部件。

比如赛灵思已经基于FPGA设计好了UDP 核、PCIE xDMA 核、UART 核，我们只需要把人家的核添加到我们工程中，那么就相当于与我们的板子已经支持了这个功能。

对于FPGA 开发软件，其提供的IP核越丰富，用户的设计就越方便，其市场占用率就越高。

一句话：IP核很值钱！

六、语言和举例

talk is cheap，show you code！

下面我们举一个例子来讲解

下面我们用verilog实现超前进位加法器：

例1：超前进位信号的产生原理

ab = 1 --> co = 1 a + b = 1,且ci = 1 --> co =1 两位多位数中第i位相加产生的进位输出co(i)可以表示位 coi=aibi+(ai+bi)(cii) 从全加器的真值表写出第i位和s(i)的逻辑式： si=aibi′cii′+ai′bicii′+ai′bi′cii+(ai+bi)cii 上式变换位异或函数位： si=ai⊕bi⊕cii

代码：

module carry_look_aheadadder( output [3:0] s, output co, input [3:0] a, input [3:0] b, input ci ); wire [3:0] co_tmp; wire [3:0] cin; assign cin[3:0] = {co_tmp[2:0],ci}; //计算中间进位 assign co_tmp[0] = a[0]&b[0]

关键词：啥是FPGA？为啥FPGA会如此重要？