第一部分 FPGA技术基础篇

第1章 FPGA的特点及其历史

1.1 无处不在的FPGA

随着技术发展和科技产业对计算任务需求的提高，作为具备高性能、低功耗特点的芯片，FPGA在诸多领域的关键环节得到了广泛应用。在通信与视频图像处理领域，通常利用FPGA的低延时及流水线并行的特点来做实时编解码处理；在消费、汽车及医疗器械等领域，FPGA可以提供灵活可编程的解决方案；在半导体芯片设计领域，使用FPGA对芯片功能进行原型验证也是不可或缺的一个环节。为满足来自不同行业不同背景开发人员的需求，英特尔提供了从硬件描述语言到高级综合设计等多种开发工具，包括Quartus Prime、HLS与OpenCL等。这些开发工具能够满足各种应用场景的各种需求，极大地降低了FPGA的开发难度，缩短了FPGA的开发周期。

近年来，随着半导体设计、制造和封测技术的发展，FPGA器件得到快速发展。以英特尔最新的FPGA器件Agilex为例（如图1-1所示），芯片设计基于第二代英特尔® Hyperflex™FPGA架构，工艺制程采用业内领先的10nm制程技术；封装方法采用3D系统级封装（SiP）技术。与前一代的Stratix 10系列相比，Agilex的性能提高40%，功耗降低40%，运算速度提升到了40TFlops。此外，Agilex支持HBM内存与DDR5内存，提供了带宽高达112Gbit/s的高速收发器。

作为半导体产业最重要的产品之一，FPGA已经拥有30多年的历史，为各种行业应用提供优秀的解决方案。从高清电视到手机信号塔，再到银行自动柜员机，以可编程逻辑设备形式存在的数字逻辑为我们日常生活提供便利。从安防领域的视频监控到网络通信技术，FPGA像工作在芯片上的交通管理员一样，控制并处理着各种数据流。可编程逻辑的使用范围参见图1-2。

从系统工作方式的控制到数据信号的处理，它就像电脑处理器一样无处不在。但这究竟是什么样的技术呢？为什么这种可编程的集成电路能够运用如此广泛呢？它有什么神奇的地方？本书将通过严谨的理论和生动的语言帮助读者理解FPGA的强大之处，同时针对FPGA的各种开发方式进行深入剖析。

图1-1 采用异构3D封装技术的Agilex FPGA

图1-2 可编程逻辑的使用范围