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FPGA 就像一張精密的畫(huà)布，想象力才是您的上限。

作者： Hanson He ( 何 鑫）， 賽靈思公司 DSP 專(zhuān)家應(yīng)用工程師

FPGA 對(duì)絕大多數(shù)的人來(lái)說(shuō)相對(duì)有些陌生。經(jīng)常有朋友問(wèn)我，你們成天搞的這個(gè) FPGA 到底是什么東西？

我想很難用一兩句通俗易懂的語(yǔ)言解釋什么是 FPGA，因?yàn)楫?dāng)今的 FPGA 已經(jīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)了。打個(gè)比喻來(lái)說(shuō)，對(duì)于熱愛(ài)樂(lè)高的人來(lái)說(shuō) FPGA 設(shè)計(jì)就像搭積木，對(duì)于愛(ài)涂鴉的我來(lái)說(shuō) FPGA 就像是一張精密的畫(huà)布。借助賽靈思這樣的 FPGA 廠商提供給設(shè)計(jì)師的易用的“畫(huà)筆”，有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)師就能根據(jù)需求創(chuàng)作自己心儀的作品。

  那么這張畫(huà)布有什么好處呢？  

易 用 性

對(duì)“畫(huà)家”來(lái)說(shuō)，FPGA 令人生畏的地方，就是只有“硬件工程師使用”的硬件可編程模式。硬件描述語(yǔ)言雖然硬件發(fā)展了30多年，但是由于 HDL 是一種用形式化的語(yǔ)言描述極其復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)的，抽象級(jí)別較低，因而大大提高了編程難度，限制了FPGA 的推廣和普及。其次隨著系統(tǒng)級(jí) FPGA 和片上系統(tǒng)（SoC）的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，FPGA 開(kāi)發(fā)已不再單單只是一個(gè)模塊的“編程”工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要，這也大大提高了“準(zhǔn)入”門(mén)檻。

然而，“山窮水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村”，覬覦 FPGA 的優(yōu)勢(shì)又苦于不會(huì)使用的軟件工程師和系統(tǒng)工程師們， 現(xiàn)在可以再次把 FPGA 開(kāi)發(fā)提到日程上來(lái)了， 因?yàn)橘愳`思在解決“易用性”問(wèn)題上已經(jīng)邁出了幾大步，其中包括：

• 賽靈思 2012 年就發(fā)布了 Vivado 設(shè)計(jì)套件集成環(huán)境，大大簡(jiǎn)化了 FPGA 的開(kāi)發(fā)流程，使畫(huà)家的畫(huà)筆更好用更易用。

• HLS （High level Synthesis，高層次綜合）工具給“畫(huà)家”提供了新的畫(huà)筆——可以直接用抽象級(jí)別更高的c/c++進(jìn)行硬件編程。

• SDSoC（Software Defined SoC）顧名思義，軟件定義的SoC。它賦予了系統(tǒng)設(shè)計(jì)極高的靈活性，將設(shè)計(jì)靈活地在PS（ARM processor）/PL（可編程邏輯）進(jìn)行分配。

• System Generator 作為 matlab/simulink 的插件，使算法仿真和 FPGA 設(shè)計(jì)進(jìn)行 bit 級(jí)的無(wú)縫連接。

• 還有最近 賽靈思最近推出的又一力作 Module Composer，極大地提高了算法仿真速度，并降低了在FPGA上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的門(mén)檻。

• 當(dāng)然，賽靈思新的 CEO 在3月19日剛剛發(fā)布的ACAP （自適應(yīng)計(jì)算加速平臺(tái)）這個(gè)超越 FPGA 的新型產(chǎn)品，更是為 FPGA 在軟件和算法工程師中的普及描繪了一個(gè)美好的藍(lán)圖。

系 統(tǒng) 性

當(dāng)今 FPGA 技術(shù)飛速發(fā)展，F(xiàn)PGA 早已經(jīng)不是只能做 glue logic（膠合邏輯）或者 I/O 連接的硬件電路的一部分了。FPGA 越來(lái)越成為開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用的系統(tǒng)中最核心的一部分了。除了PL（可編程邏輯），賽靈思還集成了 PS(ARM processor)，以及各種高性能的硬核。2017年，我想業(yè)內(nèi)最爆炸的新聞莫過(guò)于“Xilinx公布了基于16nm工藝的Zynq UltraScale + RFSoC 產(chǎn)品系列”。Xilinx 將高性能的 ADC/DAC 集成在 FPGA 中，這就相當(dāng)于賽靈思 FPGA 不僅提供了精密的畫(huà)布還提供了華美的邊框，用戶(hù)不再需要額外布置片外的 ADC/DAC 芯片和相應(yīng)的模擬電路，就可以在數(shù)字與模擬之間自由切換。這個(gè)創(chuàng)舉不僅在功耗/成本/面積上帶來(lái)巨大的優(yōu)勢(shì)，還給用戶(hù)（設(shè)計(jì)者）帶來(lái)了極大的方便。（FPGA工程師輕呼一口氣，終于可以扔掉惱人的 JESD 了）

功 耗

如果對(duì)某個(gè)成熟的算法或者技術(shù)，已經(jīng)有某種成熟的 ASIC 可以滿(mǎn)足需求，我就不建議考慮 FPGA了。因?yàn)闊o(wú)論是價(jià)格還是功耗，FPGA 都可能略遜一籌。但是對(duì)于那些喜歡與眾不同，喜歡用差異化甩開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手， 并希望自己的設(shè)計(jì)能夠與時(shí)俱進(jìn)、靈活應(yīng)變的開(kāi)發(fā)者，FPGA 就是你最佳的選擇。

隨著科技的飛速發(fā)展，技術(shù)的更新迭代，昨天成熟的技術(shù)今天可能就已經(jīng)過(guò)時(shí)了，這正是可重配置的“萬(wàn)能”芯片 FPGA 的時(shí)代。當(dāng)然， 如前所述，當(dāng)今的 FPGA 是一個(gè)片上的系統(tǒng)，如果從整體系統(tǒng)的角度來(lái)看，FPGA 在性能功耗比上無(wú)疑都有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

總之，同十年前相比，FPGA 的開(kāi)發(fā)和使用的難度已經(jīng)大大降低了。賽靈思已經(jīng)不再滿(mǎn)足于只向用戶(hù)提供業(yè)界最領(lǐng)先的“畫(huà)布”，它還提供了一整套的生態(tài)環(huán)境和解決方案，力爭(zhēng)使設(shè)計(jì)者玩 FPGA  玩出樂(lè)高的樂(lè)趣，玩出大師級(jí)畫(huà)家的精彩。 通過(guò)簡(jiǎn)單的“插”，“拔”，使用戶(hù)更容易地完成系統(tǒng)級(jí)的 masterpiece。