一、FPGA 是什么

1.1 名词解释

FPGA（Field Programmable Gate Array， 简称 FPGA） ，译文：现场可编程门阵列，一种主要以数字电路为主的集成芯片， 于 1985 年由 Xilinx 创始人之一 Ross Freeman 发明，属于可编程逻辑器件 PLD（ Programmable Logic Device） 的一种。

1.2 FPGA 的技术优势

对于专门目的 而设计的 集成电路（ Application Specific Integrated Circuit ， ASIC）， FPGA 具有 3 点优势：

灵活性： 通过对 FPGA 编程， FPGA 能够执行 ASIC 能够执行的任何逻辑功能。 FPGA的独特优势在于其灵活性，即随时可以改变芯片功能，在技术还未成熟的阶段，这种特性能够降低产品的成本与风险，在 5G 初期这种特性尤为重要。

上市时间： 由于 FPGA 买来编程后既可直接使用， FPGA 方案无需等待三个月至一年的芯片流片周期，为企业争取了产品上市时间。

成本： FPGA 与 ASIC 主要区别在 ASIC 方案有固定成本而 FPGA 方案几乎没有，在使用量小的时候， FPGA 方案由于无需支付一次性百万美元的流片成本，同时也不用承担流片失败风险， FPGA 方案的成本低于 ASIC，随着使用量的增加， FPGA 方案在成本上的优势逐渐缩小，超过某一使用量后， ASIC 方案由于大量流片产生了规模经济，在成本上更有优势。

1.3 FPGA 的应用方向

FPGA 软件方向： 以软件开发为主，开发 FPGA 在数据分析、人工智能、机器视觉等领域的加速应用能力，主要采用 OpenCL 和 HLS 技术实现软硬件协同开发。

FPGA 硬件方向： 以逻辑设计为主，针对 FPGA 特定领域的应用设计和集成电路设计，以及芯片验证能力。

二、 硬件开发平台

2.1 开发板简介

配套的硬件平台为：野火 EP4CE10F17C8 征途 Pro FPGA 开发板

2.2 国内外 FPGA 产业现状

首先我们来说一下全球主要生产 FPGA 芯片的几大厂商，最被人们熟知的就是 Xilinx和 Altera 两家巨头，紧排其后的就是 Lattice 公司。

国内FPGA 厂商主要有 8 家：紫光同创、国微电子、成都华微电子、安路科技、智多晶、高云半导体、上海复旦微电子和京微齐力。目前营收规模均较小，国产 FPGA 目前还处于起步期，专利数和国外企业有较大差距。产品角度来看，国产 FPGA 在硬件性能指标上也远落后于 Xilinx 及 Intel（ Altera）。

2.3 Cyclone 系列 FPGA 芯片的命名方法

名称信息的组成为： 器件系列 +器件类型（是否含有高速串行收发器） + LE 逻辑单元数量 + 封装类型 + 高速串行收发器的数量（没有则不写） + 引脚数目 + 器件正常使用的温度范围 + 器件的速度等级 + 后缀。

  • EP4C： Altera 器件 Cyclone IV 系列；

  • E/GX： E 表示普通逻辑资源丰富的器件， GX 表示带有高速串行收发器的器件；

  • 10： LE 逻辑单元的数量，单位为 k， 10 表示约有 10k 的逻辑单元；

  • C：表示高速串行收发器的数量，该芯片没有高速串行收发器所以不写；

  • F：表示 PCB 封装类型， F 是 FBGA 封装， E（ EQFP） 、 Q（ PQFP） 、 U（UBGA） 、M（MBGA）；

  • 17：表示引脚数量， 17 代表有 256 个引脚；

  • C：工作温度， C 表示可以工作在 0℃到 85℃（民用级） ， I 表示可以工作在-40℃到 100℃（工业级） ， A 表示可以工作在-40℃到 125℃（军用级）；

  • 8： 器件的速度等级， 6 最大约是 500MHz， 7 最大约是 430MHz， 8 最大约是400MHz， 可以看出在 Altera 的器件中数字越小表示速度越快，而在 Xilinx 的器件中数字越大表示速度越快； 一般来讲，提高一个速度等级将带来 12%到 15%的性能提升，但是器件的成本却增加了 20%大 30%。如果利用设计结构来将性能提升12%到 15%（通过增加额外的流水线），那么就可以降低速度等级，从而节约20%大 30%的成本；

  • N：后缀， N 表示无铅， ES 代表工程样片。