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FPGA 技术介绍
【概述】
场域可程式化闸阵列(FPGA) 技术正持续发展,而全世界 FPGA 市场的产值,则预估可从 2005 年的 19 亿美金提升到 2010 年的 27 亿 5 千万美金。FPGA 是在 1984 年由 Xilinx 公司所发明,从简单的胶合逻辑(Glue logic) 晶片,演变为可取代客制的特定应用积体电路(ASIC) 与处理器,适用于讯号处理与控制应用。为何 FPGA 技术如此成功?此篇文章将介绍 FPGA,并说明数项让 FPGA 如此独特的优点。
什么是 FPGA?
最笼统来说,FPGAs 即为可再程式化的晶片。透过预先建立的逻辑区块与可程式化路由资源,不需更改面包板或焊锡部分,即可设定这些晶片以建置客制硬体功能。使用者可于软体中开发数位运算系统(Computing task) 并将之编译为组态档案或位元流(Bitstream),可包含元件接线的相关资讯。此外,FPGA 完全为可重设性质,当使用者重新编译不同的电路设定时,可立刻拥有不同的特性。在过去,工程师必须深入了解数位硬体设计,才能够使用 FPGA 技术。然而,高阶设计工具的新技术可针对图形化程式区或 C 程式码,转换为数位硬体电路,即变更了 FPGA 程式设计的规则。
FPGA 整合了 ASIC 与处理器架构系统的最佳部分,使 FPGA 晶片可应用于所有产业。FPGA 具有硬体时脉的速度与可靠性,且其仅需少量即可进行作业;可降低客制化 ASIC 设计的费用。可重新程式设计的晶片,具有与软体相同的弹性,却不受限于处理核心的数量。与处理器不同的是,FPGA 为实际的平行架构,因此不同的处理作业并不需要占用相同资源。每个独立的处理作业均将指派至专属的晶片区块,不需影响其他逻辑区块即可自动产生功能。因此,当新增其他处理作业时,应用某部分的效能亦不会受到影响。
FPGA 技术的 5 大优点:
效能–透过硬体的平行机制,FPGA 可突破依序执行(Sequential execution) 的固定运算,并于每时脉循环完成更多作业,以超越数位讯号处理器(DSP) 的计算功能。BDTI 为着名的分析公司,并于某些应用中使用 DSP 解决方案,以计算 FPGA 的处理效能2。于硬体层级控制 I/O 可缩短回应时间并特定化某些功能,以更符合应用需求。
上市时间–针对上市时间而言,FPGA 技术具有弹性与快速原型制作的功能。使用者不需进行客制化 ASIC 设计的冗长建构过程,即可于硬体中测试或验证某个观念3。并仅需数个小时即可建置其他变更作业,或替换 FPGA 设计。现成的(COTS) 硬体亦可搭配使用不同种类的 I/O,并连接至使用者设定的 FPGA 晶片。高阶软体工具正不断提升其适用性,缩短了抽象层(Layer of abstraction) 的学习时间,并针对进阶控制与讯号处理使用 IP cores (预先建立的函式)。
成本–客制化 ASIC 设计的非重置研发(NRE) 费用,远远超过 FPGA 架构硬体解决方案的费用。ASIC 的大型初始投资,可简单认列于 OEM 每年所出货的数千组晶片,但是许多末端使用者更需要客制硬体功能,以用于开发过程中的数百组系统。而可程式化晶片的特性,即代表低成本的架构作业,或组装作业的长前置时间。由于系统需