PGA的發(fā)展由來

　　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：存儲器、處理器和邏輯器件。

　　存儲器保存隨機信息（電子數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容）；處理器執(zhí)行軟件指令，以便完成各種任務(wù)（運行數(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)計的芯片，例如MP3解碼芯片等。其優(yōu)點是通過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）來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時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的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲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所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。

　　FPGA基本特點

　　1.采用FPGA設(shè)計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)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。

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

　　FPGA國內(nèi)現(xiàn)狀

　　目前中國IC廠商在FPGA這個細(xì)分領(lǐng)域和國外巨頭的差距遠(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多項專利，對后進者形成很高的技術(shù)壁壘，國內(nèi)廠商要么和國外巨頭專利交叉授權(quán)，要么花錢買專利，但當(dāng)前我們并沒有多少專利可以和xilinx和altera進行交叉許可，購買難度更大，這不僅僅是資金的問題。從canyon bridge收購lattice被美國否決來看，凡涉及到美國國家安全的高新技術(shù)公司，我國是不可能通過收購來獲得的，lattice在行業(yè)內(nèi)充其量是第二團隊尚且如此，業(yè)界領(lǐng)先的企業(yè)我國更難獲得。

　　國內(nèi)FPGA的發(fā)展只能靠自主，雖然這個過程可能會很漫長，但除此之外沒有更好的選擇。芯片的自主設(shè)計是實現(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（手機芯片、PC處理器等）需要實現(xiàn)自制的原因。在目前FPGA的技術(shù)和供給幾乎全部來源于美國，包括歐洲和日本等技術(shù)強國也沒有掌握到核心技術(shù)。

　　對于中國而言，國家促進集成電路發(fā)展已經(jīng)提升至國家戰(zhàn)略。同時特殊的應(yīng)用場景（軍工、導(dǎo)彈、航天航空）的要求的FPGA，國外對中國是禁運的，這也從另一方面促成國內(nèi)FPGA自制的契機。目前，國內(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，國內(nèi)是FPGA需求最大的市場，現(xiàn)在Xilinx、Altera最大的客戶就在中國，通訊市場華為中興烽火包攬了全國60%以上的量。中國FPGA的發(fā)展紅利在于需求市場足夠大，有需求就要有相應(yīng)產(chǎn)品來支持。這對于國內(nèi)廠家就是機會，目前，同方國芯片已經(jīng)和華為中興合作，想實現(xiàn)一部分的國產(chǎn)替代。

　　最后，從技術(shù)角度來說，我們已經(jīng)不像10年前基本不懂核心技術(shù)。國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟完善，以及芯片設(shè)計能力的不斷加強，我們自己可以自主設(shè)計和流片ARM架構(gòu)的手機CPU（海思麒麟、大唐聯(lián)芯），并成功實現(xiàn)商業(yè)化，這在10年前都不敢相信。在我們在過去積累的技術(shù)沉淀和創(chuàng)新能力，已經(jīng)使得我們在FPGA的特定應(yīng)用領(lǐng)域（軍工、通訊）實現(xiàn)一定程度上的自我供給。未來也可能類似于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)計的芯片更能實現(xiàn)安全可控。

　　中國FPGA的機遇

　　為了滿足經(jīng)濟發(fā)展和國防需求，打破美國的壟斷，中國政府多年來投入了數(shù)百億科研經(jīng)費，通過逆向工程方式仿制美國對我禁運的FPGA產(chǎn)品。但由于知識產(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)無法突破，難以滿足國家安全的需要。隨著國際形勢的變化，通過走私進口禁運產(chǎn)品的渠道可能被切斷，進口的關(guān)鍵芯片也可能被人為地嵌入后門通道或定時炸彈等模塊，嚴(yán)重危及國家安全。

　　我們不得不承認(rèn)國產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)與國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)勢也不大。

　　但是，中國擁有超過50億元的FPGA市場。“十二五”期間，中國的可編程器件市場仍將保持年均30%以上的增長速度。中國尤其是北京等重要研究部門急需也長期需要FPGA用于國家安全和重點應(yīng)用，比如航天航空、信息安全、知識產(chǎn)品保護等。此外，中國電子產(chǎn)品市場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FPGA產(chǎn)業(yè)享有巨大的發(fā)展空間，機遇與挑戰(zhàn)并存。

　　全球FPGA市場發(fā)展前景展望

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

　　在全球市場中，Xilinx、Altera兩大公司對FPGA的技術(shù)與市場仍然占據(jù)絕對壟斷地位。兩家公司占有將近90%市場份額，專利達(dá)6000余項之多，而且這種壟斷仍在加強。同時，美國政府對我國的FPGA產(chǎn)品與技術(shù)出口進行苛刻的審核和禁運，使得國家在航天、航空乃至國家安全領(lǐng)域都受到嚴(yán)重制約。因此，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的FPGA技術(shù)與產(chǎn)品對打破美國企業(yè)和政府結(jié)合構(gòu)成的壟斷，及國家利益意義深遠(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)的進步，F(xiàn)PGA器件的設(shè)計技術(shù)取得了飛躍發(fā)展及突破。通過FPGA器件的發(fā)展歷程來看，今后仍將朝下以下幾個方向發(fā)展：

　　·高密度、高速度、寬頻帶、高保密；

　　·低電壓、低功耗、低成本、低價格；

　　·IP軟/硬核復(fù)用、系統(tǒng)集成；

　　·動態(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“關(guān)鍵點”，它將在今后數(shù)十年中得到廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)設(shè)計人員提供更多的選擇。例如，以應(yīng)用為導(dǎo)向，在受專利保護的FPGA平臺架構(gòu)上無縫集成特定功能模塊，以形成具備行業(yè)競爭優(yōu)勢（高性價比）的獨特產(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是市場和技術(shù)的領(lǐng)頭羊，而剩余的市場份額被Lattice占據(jù)多數(shù)。

　　為了在競爭中占據(jù)主動，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，以滿足諸如云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和3G應(yīng)用等領(lǐng)域所不斷增長的帶寬需求。由于PLD器件采用更高技術(shù)的工藝節(jié)點制造，無疑可以降低成本、提升性能，尤其是能夠改進一直以來為ASIC所詬病的功耗水平，以適應(yīng)更廣闊的設(shè)計應(yīng)用。

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

　　權(quán)威市場調(diào)研機構(gòu)Gartner 2010年初的預(yù)測數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)PGA正處于一個加速增長的市場勢態(tài)中。未來5年，市場平均增長幅度超過12.6%，這種增長幅度遠(yuǎn)大于ASIC和ASSP市場。同時，市場數(shù)據(jù)表明其行業(yè)平均毛利大于60%。FPGA行業(yè)需要更大的市場規(guī)模，以吸引更多的使用者。預(yù)計未來5年，隨著產(chǎn)量增加，成本進一步降低，F(xiàn)PGA市場份額將會持續(xù)增大。