2.2 FPGA的发展趋势

自1985年Xilinx公司推出第一个FPGA产品至今，FPGA已经历了30多年的历史。在这30多年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展。FPGA产品从最初的1200个可利用门，发展到20世纪90年代的25万个可利用门。21世纪初，著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万个门的单个FPGA芯片，将FPGA产品的集成度提高到一个新的水平。FPGA技术正处于高速发展时期，新型芯片的规模越来越大，成本也越来越低，低端的FPGA已逐步取代了传统的数字元器件，高端的FPGA正在争夺专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）的市场份额。特别是随着ARM、FPGA、DSP技术的相互融合，在FPGA芯片中集成专用的ARM及DSP核的方式已将FPGA技术的应用推到了一个前所未有的高度。

纵观FPGA的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低。FPGA越来越多地取代了ASIC、DSP，特别是在小批量、多品种的生产场合。

目前，FPGA的主要发展动向是：随着大规模FPGA产品的发展，系统设计进入片上可编程系统（System on a Programmable Chip，SoPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低电压、低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源更好地满足用户的需求，扩大市场；特别引人注目的是，FPGA与ARM、DSP等技术的相互融合，推动了多种芯片的融合式发展，从而极大地扩展了FPGA的性能和应用范围。

1.大容量、低电压、低功耗FPGA

大容量FPGA是市场发展的焦点。FPGA产业中的两大霸主——Altera公司（现被Intel公司收购）和Xilinx公司（现被AMD公司收购）在超大容量FPGA上展开了激烈的竞争。2011年，Altera公司率先推出了Stratix V、Arria V与Cyclone V三大系列的28nm FPGA芯片。Xilinx公司随即推出了自己的28nm FPGA芯片，也包括三大系列——Artix-7、Kintex-7、Virtex-7，其中Virtex-7000T这款包含68亿个晶体管的FPGA，具有1954560个逻辑单元。这是Xilinx公司采用台积电（TSMC）28nm的HPL工艺推出的第三款FPGA，也是世界上第一个采用堆叠硅片互联（SSI）技术的商用FPGA。目前，AMD（Xilinx）公司宣称采用台积电的16nm FinFET工艺与全新UltraRAM和SmartConnect技术相结合，为市场提供更加智能、更高集成度、更高带宽的高端产品。

采用深亚微米（DSM）的半导体工艺后，器件在性能提高的同时，其价格在逐步降低。随着便携式应用产品的发展，人们对FPGA的低电压、低功耗的要求日益迫切，因此，无论哪个厂家、哪种类型的产品，都在朝着这个方向发展。

2.系统级高密度FPGA

随着生产规模的提高，产品应用成本的下降，FPGA已经不仅仅适用于系统接口部件的现场集成，而且可灵活地应用于系统级（包括其核心功能芯片）设计之中。在这样的背景下，国际主要FPGA厂家在系统级高密度FPGA的技术发展上，主要强调了两个方面：FPGA的IP（Intellectual Property，知识产权）硬核和IP软核。当前具有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面：一方面是FPGA厂商将IP硬核（指完成版图设计的功能单元模块）嵌入FPGA器件中；另一方面是大力扩充优化的IP软核（指利用HDL语言设计并经过综合验证的功能单元模块），用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的IP核资源，有效地完成复杂的片上系统设计。

3.硅片融合的趋势

2011年以后，整个半导体业界芯片融合的趋势越来越明显。例如，以DSP见长的德州仪器（Texas Instruments，TI）、美国模拟器件公司（Analog Device Inc.，ADI）相继推出将DSP与MCU（Micro Control Unit，微控制单元）集成在一起的芯片平台，而以做MCU平台为主的厂商也推出了在MCU平台上集成DSP核的方案。在FPGA业界，这个趋势更加明显，除DSP核和处理器IP核早已集成在FPGA芯片上外，FPGA厂商开始积极与处理器（核）厂商合作推出集成了FPGA的处理器平台产品。

这种融合趋势出现的根本原因是什么呢？这还要从CPU、DSP、FPGA和ASIC各自的优缺点说起。通用的CPU和DSP软件可编程、灵活性高，但功耗较高；FPGA具有硬件可编程的特点，非常灵活，功耗较低；ASIC是针对特定应用固化的，不可编程，不灵活，但功耗很低。这就涉及一个矛盾，即灵活性和效率的矛盾。随着电子产品推陈出新速度不断加快，对产品设计的灵活性和效率要求越来越高，怎样才能兼顾灵活性和效率，这是一个巨大的挑战。半导体业内最终认可的解决方案是芯片的融合，即将不同特点的芯片集成在一起，发挥它们的优点，避免它们的缺点。因此，“微处理器+DSP+专用IP核+可编程”架构成为芯片融合的主要架构。

在芯片融合方面，FPGA具有优势：①FPGA本身架构非常清晰，其生态系统经过多年的培育发展，非常完善，软硬件和第三方合作伙伴都非常成熟；②其自身在发展过程中已经进行了与CPU、DSP和硬IP核的集成，因此，在与其他处理器融合时，具有成熟的环境和丰富的经验。Intel公司已经和业内各个CPU厂商展开了合作，如MIPS、Freescale、ARM，推出了混合系统架构的产品。AMD公司和ARM公司联合发布了基于28nm工艺的全新的可扩展式处理平台（Extensible Processing Platform）架构。这款基于双核ARM Cortex-A9 MPCore的处理器平台同时拥有串行和并行处理能力，它可为各种嵌入式系统提供强大的系统性能、灵活性和集成度。

4.FPGA与CPU的深度融合

2015年6月，Intel公司宣布以167亿美元的价格收购Altera公司，一时业界针对此事的评论铺天盖地。Intel+FPGA会得出什么样的结果？一时让人们对FPGA的发展有了无穷的想象。

2022年2月14日晚，美国AMD公司宣布以全股份交易方式完成对Xilinx公司的收购，总交易额达350亿美元。AMD公司总裁兼首席执行官苏姿丰表示：“对Xilinx的收购可将一系列高度互补的产品、客户和市场，以及差异化的IP和世界一流的人才汇集在一起，把Xilinx打造成为行业高性能和自适应计算的领导者。Xilinx领先的FPGA、自适应SoC、人工智能引擎和软件专业知识将赋能AMD，带来超强的高性能和自适应计算解决方案，并帮助我们在可预见的约1350亿美元的云计算、边缘计算和智能设备市场中占据更大份额。”