PGA的發(fā)展由來(lái)

　　數(shù)字集成電路的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了從電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路到大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路等不同的階段。發(fā)展到現(xiàn)在，主要有3類電子器件：存儲(chǔ)器、處理器和邏輯器件。

　　存儲(chǔ)器保存隨機(jī)信息（電子數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容）；處理器執(zhí)行軟件指令，以便完成各種任務(wù)（運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序或視頻游戲）；而邏輯器件可以提供特殊功能（器件之間的通信和系統(tǒng)必須執(zhí)行的其他所有功能）。

　　邏輯器件分成兩類：

　　1.固定的或定制的

　　2.可編程的或可變的

　　其中，固定的或定制的邏輯器件通常稱為專用芯片（ASIC）。ASIC是為了滿足特定的用途而設(shè)計(jì)的芯片，例如MP3解碼芯片等。其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)固化的邏輯功能和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，降低了芯片的成本，同時(shí)提高了產(chǎn)品的可靠性。隨著集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不斷的縮小。

　　FPGA工作原理

　　FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。

　　與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA利用小型查找表（16×1RAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。

　　FPGA的邏輯是通過(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無(wú)限次的編程。

　　FPGA基本特點(diǎn)

　　1.采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路（專用集成電路），用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。

　　2.FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

　　3.FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

　　4.FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。

　　5.FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

　　FPGA國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

　　目前中國(guó)IC廠商在FPGA這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域和國(guó)外巨頭的差距遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其他領(lǐng)域要大。

　　FPGA技術(shù)門檻非常高，核心技術(shù)只掌握在及其少數(shù)的公司手上，而且xilinx和atlera手頭握有6000多項(xiàng)專利，對(duì)后進(jìn)者形成很高的技術(shù)壁壘，國(guó)內(nèi)廠商要么和國(guó)外巨頭專利交叉授權(quán)，要么花錢買專利，但當(dāng)前我們并沒(méi)有多少專利可以和xilinx和altera進(jìn)行交叉許可，購(gòu)買難度更大，這不僅僅是資金的問(wèn)題。從canyon bridge收購(gòu)lattice被美國(guó)否決來(lái)看，凡涉及到美國(guó)國(guó)家安全的高新技術(shù)公司，我國(guó)是不可能通過(guò)收購(gòu)來(lái)獲得的，lattice在行業(yè)內(nèi)充其量是第二團(tuán)隊(duì)尚且如此，業(yè)界領(lǐng)先的企業(yè)我國(guó)更難獲得。

　　國(guó)內(nèi)FPGA的發(fā)展只能靠自主，雖然這個(gè)過(guò)程可能會(huì)很漫長(zhǎng)，但除此之外沒(méi)有更好的選擇。芯片的自主設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)信息安全的最底層保障。這也是為什么與信息處理相關(guān)的基礎(chǔ)芯片（手機(jī)芯片、PC處理器等）需要實(shí)現(xiàn)自制的原因。在目前FPGA的技術(shù)和供給幾乎全部來(lái)源于美國(guó)，包括歐洲和日本等技術(shù)強(qiáng)國(guó)也沒(méi)有掌握到核心技術(shù)。

　　對(duì)于中國(guó)而言，國(guó)家促進(jìn)集成電路發(fā)展已經(jīng)提升至國(guó)家戰(zhàn)略。同時(shí)特殊的應(yīng)用場(chǎng)景（軍工、導(dǎo)彈、航天航空）的要求的FPGA，國(guó)外對(duì)中國(guó)是禁運(yùn)的，這也從另一方面促成國(guó)內(nèi)FPGA自制的契機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的FPGA主要用于軍工、通訊、航空航天等領(lǐng)域。

　　在民用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)是FPGA需求最大的市場(chǎng)，現(xiàn)在Xilinx、Altera最大的客戶就在中國(guó)，通訊市場(chǎng)華為中興烽火包攬了全國(guó)60%以上的量。中國(guó)FPGA的發(fā)展紅利在于需求市場(chǎng)足夠大，有需求就要有相應(yīng)產(chǎn)品來(lái)支持。這對(duì)于國(guó)內(nèi)廠家就是機(jī)會(huì)，目前，同方國(guó)芯片已經(jīng)和華為中興合作，想實(shí)現(xiàn)一部分的國(guó)產(chǎn)替代。

　　最后，從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，我們已經(jīng)不像10年前基本不懂核心技術(shù)。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟完善，以及芯片設(shè)計(jì)能力的不斷加強(qiáng)，我們自己可以自主設(shè)計(jì)和流片ARM架構(gòu)的手機(jī)CPU（海思麒麟、大唐聯(lián)芯），并成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這在10年前都不敢相信。在我們?cè)谶^(guò)去積累的技術(shù)沉淀和創(chuàng)新能力，已經(jīng)使得我們?cè)贔PGA的特定應(yīng)用領(lǐng)域（軍工、通訊）實(shí)現(xiàn)一定程度上的自我供給。未來(lái)也可能類似于CPU+FPGA用于云數(shù)據(jù)中心節(jié)中，這些應(yīng)用領(lǐng)域都是信息高度敏高的地方，使用自主設(shè)計(jì)的芯片更能實(shí)現(xiàn)安全可控。

　　中國(guó)FPGA的機(jī)遇

　　為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防需求，打破美國(guó)的壟斷，中國(guó)政府多年來(lái)投入了數(shù)百億科研經(jīng)費(fèi)，通過(guò)逆向工程方式仿制美國(guó)對(duì)我禁運(yùn)的FPGA產(chǎn)品。但由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)、生產(chǎn)工藝和軟件技術(shù)等多方面的限制，仿制品種有限，技術(shù)無(wú)法突破，難以滿足國(guó)家安全的需要。隨著國(guó)際形勢(shì)的變化，通過(guò)走私進(jìn)口禁運(yùn)產(chǎn)品的渠道可能被切斷，進(jìn)口的關(guān)鍵芯片也可能被人為地嵌入后門通道或定時(shí)炸彈等模塊，嚴(yán)重危及國(guó)家安全。

　　我們不得不承認(rèn)國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)與國(guó)際巨頭還存在較大的差距，不論從產(chǎn)品性能、功能、功耗、軟件、應(yīng)用支撐上都有差距。甚至成本上，我們的優(yōu)勢(shì)也不大。

　　但是，中國(guó)擁有超過(guò)50億元的FPGA市場(chǎng)?！笆濉逼陂g，中國(guó)的可編程器件市場(chǎng)仍將保持年均30%以上的增長(zhǎng)速度。中國(guó)尤其是北京等重要研究部門急需也長(zhǎng)期需要FPGA用于國(guó)家安全和重點(diǎn)應(yīng)用，比如航天航空、信息安全、知識(shí)產(chǎn)品保護(hù)等。此外，中國(guó)電子產(chǎn)品市場(chǎng)要求敏捷快速的研發(fā)周期和少量多樣的產(chǎn)品形態(tài)，最適合FPGA應(yīng)用。

　　因此，中國(guó)FPGA產(chǎn)業(yè)享有巨大的發(fā)展空間，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

　　全球FPGA市場(chǎng)發(fā)展前景展望

　　當(dāng)今，半導(dǎo)體市場(chǎng)格局已成三足鼎立之勢(shì)，F(xiàn)PGA，ASIC和ASSP三分天下。市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)PGA已經(jīng)逐步侵蝕ASIC和ASSP的傳統(tǒng)市場(chǎng)，并處于快速增長(zhǎng)階段。

　　在全球市場(chǎng)中，Xilinx、Altera兩大公司對(duì)FPGA的技術(shù)與市場(chǎng)仍然占據(jù)絕對(duì)壟斷地位。兩家公司占有將近90%市場(chǎng)份額，專利達(dá)6000余項(xiàng)之多，而且這種壟斷仍在加強(qiáng)。同時(shí)，美國(guó)政府對(duì)我國(guó)的FPGA產(chǎn)品與技術(shù)出口進(jìn)行苛刻的審核和禁運(yùn)，使得國(guó)家在航天、航空乃至國(guó)家安全領(lǐng)域都受到嚴(yán)重制約。因此，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FPGA技術(shù)與產(chǎn)品對(duì)打破美國(guó)企業(yè)和政府結(jié)合構(gòu)成的壟斷，及國(guó)家利益意義深遠(yuǎn)。

　　作為一種可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA在短短二十多年中從電子設(shè)計(jì)的外圍器件逐漸演變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)的核心。伴隨半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA器件的設(shè)計(jì)技術(shù)取得了飛躍發(fā)展及突破。通過(guò)FPGA器件的發(fā)展歷程來(lái)看，今后仍將朝下以下幾個(gè)方向發(fā)展：

　　·高密度、高速度、寬頻帶、高保密；

　　·低電壓、低功耗、低成本、低價(jià)格；

　　·IP軟/硬核復(fù)用、系統(tǒng)集成；

　　·動(dòng)態(tài)可重構(gòu)以及單片集群；

　　·緊密結(jié)合應(yīng)用需求，多元化發(fā)展。

　　此外，集成了FPGA架構(gòu)、硬核CPU子系統(tǒng)（ARM/MIPS/MCU）及其他硬核IP的芯片已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)“關(guān)鍵點(diǎn)”，它將在今后數(shù)十年中得到廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更多的選擇。例如，以應(yīng)用為導(dǎo)向，在受專利保護(hù)的FPGA平臺(tái)架構(gòu)上無(wú)縫集成特定功能模塊，以形成具備行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)（高性價(jià)比）的獨(dú)特產(chǎn)品。Altera、Cypress?半導(dǎo)體、Intel?和Xilinx?公司等供應(yīng)商相繼在最近一年發(fā)布或者開始發(fā)售SoCFPGA器件。

　　在FPGA領(lǐng)域，Xilinx和Altera長(zhǎng)期穩(wěn)坐第一第二的位置。根據(jù)最新Form-10K數(shù)據(jù)顯示，其分別占有48%和41%的市場(chǎng)份額。其中Xilinx凈銷售額為23.1億美元，凈收入為6.3億美元；Altera凈銷售額為19.5億美元，凈收入為7.8億美元。這兩家公司一直以來(lái)是市場(chǎng)和技術(shù)的領(lǐng)頭羊，而剩余的市場(chǎng)份額被Lattice占據(jù)多數(shù)。

　　為了在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)，Xilinx與Altera新近分別宣布其下一代FPGA產(chǎn)品都將采用高k金屬柵技術(shù)的 28nm工藝，以滿足諸如云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和3G應(yīng)用等領(lǐng)域所不斷增長(zhǎng)的帶寬需求。由于PLD器件采用更高技術(shù)的工藝節(jié)點(diǎn)制造，無(wú)疑可以降低成本、提升性能，尤其是能夠改進(jìn)一直以來(lái)為ASIC所詬病的功耗水平，以適應(yīng)更廣闊的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

　　Xilinx和Altera雖然控制世界將近90%的FPGA市場(chǎng)，但是他們的產(chǎn)品是大多以純FPGA為主。“平臺(tái)化”已成為FPGA一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，盡管Xilinx和Altera在FPGA“平臺(tái)化”方面在最近幾年也有涉及，但概念和特點(diǎn)比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有完全形成氣候。

　　權(quán)威市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Gartner 2010年初的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)PGA正處于一個(gè)加速增長(zhǎng)的市場(chǎng)勢(shì)態(tài)中。未來(lái)5年，市場(chǎng)平均增長(zhǎng)幅度超過(guò)12.6%，這種增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于ASIC和ASSP市場(chǎng)。同時(shí)，市場(chǎng)數(shù)據(jù)表明其行業(yè)平均毛利大于60%。FPGA行業(yè)需要更大的市場(chǎng)規(guī)模，以吸引更多的使用者。預(yù)計(jì)未來(lái)5年，隨著產(chǎn)量增加，成本進(jìn)一步降低，F(xiàn)PGA市場(chǎng)份額將會(huì)持續(xù)增大。