FPGA是“field programmable gate array”的缩写,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA是Ross Freeman于1985年发明的,当时第一个FPGA采用2μm工艺,包含64个逻辑模块和85 000个晶体管,门数量不超过1000个,当时他所创造的FPGA被认为是一项不切实际的技术,他的同事Bill Carter曾说,这种理念需要很多晶体管,但那时晶体管是非常珍贵的东西。所以人们认为Ross的想法过于脱离现实。但是Ross预计,根据摩尔定律(每18个月晶体管密度翻一番),晶体管肯定会越来越便宜,因此FPGA必将成为未来不可或缺的技术。在短短的几年时间内,正如Ross所预言的,出现了数十亿美元的现场可编程门阵列市场。但可惜的是,他已经无法看到这一派欣欣向荣的景象——Ross Freeman在1989年与世长辞了,但是他的发明却持续不断地促进电子行业的进步与发展。

FPGA企业状况:目前全球主要的FPGA企业数量较少,仅有Xilinx(赛灵思)、Altera(阿尔特拉,2015年被Intel公司收购)、Lattice(莱迪思)、Microsemi(美高森美)等几家,其中,Xilinx与Altera占有近90%的市场份额,专利达到6000余项之多。Xilinx始终保持着全球FPGA的龙头地位,其宣传图如图1-1所示。

图1-1　Xilinx公司宣传图

Xilinx FPGA主要分为两大类:一种侧重低成本应用,容量中等,性能可以满足一般的逻辑设计要求,如Spartan系列；另一种侧重于高性能应用,容量大,性能能满足各类高端应用,如Virtex系列。用户可以根据自己的实际应用要求进行选择,在可以满足性能的情况下,优先选择低成本器件。Xilinx官网:https://china.xilinx.com/。

Altera的主流FPGA分为两大类:一种侧重低成本应用,容量中等,性能可以满足一般的逻辑设计要求,如Cyclone、CycloneⅡ、CycloneⅢ,最新Cyclone系列已经到了CycloneⅤ；另一种侧重于高性能应用,容量大,性能能满足各类高端应用,如Startix、StratixⅡ等。用户可以根据自己的实际应用要求进行选择,在可以满足性能要求的情况下,优先选择低成本器件。Altera公司宣传图如图1-2所示。

图1-2　Altera公司宣传图(www.daowen.com)

Cyclone(飓风):Altera中等规模FPGA,2003年推出,0.13μm工艺,1.5 V内核供电,与Stratix结构类似,是一种低成本FPGA,其配置芯片也改用全新的产品。

简评:Altera最成功的器件之一,性价比不错,是一种适合中低端应用的通用FPGA,推荐使用。

CycloneⅡ:Cyclone的二代产品,2005年开始推出,90 nm工艺,1.2 V内核供电,属于低成本FPGA,性能和Cyclone相当,提供了硬件乘法器单元。

简评:Altera推出的第二代低成本FPGA,从2005年底开始,逐步取代Cyclone器件,成为Altera在中低端FPGA市场中的主力产品。

Stratix:Altera大规模高端FPGA,2002年中期推出,0.13μm工艺,1.5 V内核供电,集成硬件乘加器,芯片内部结构与Altera以前的产品相比有很大变化。

简评:Stratix芯片的推出,改变了Altera在FPGA市场上的被动局面。该芯片适合高端应用。随着2005年新一代StratixⅡ器件的推出,Stratix被StratixⅡ逐渐取代。

StratixⅡ:Stratix的二代产品,2004年中期推出,90 nm工艺,1.2 V内核供电,大容量高性能FPGA。

简评:性能超越Stratix,是Altera在高端FPGA市场中的主力产品。StratixⅤ为Altera目前的高端产品,采用28 nm工艺,提供了28 Gb/s的收发器件,适合高端的FPGA产品开发。