FPGA是一種以數位電路為主的整合晶片,屬於可程式邏輯元件（Programmable Logic Device，PLD）的一種；FPGA是作為專用積體電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，也克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。
本教學操作環境：windows7系統、Dell G3電腦。
FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL （可程式陣列邏輯）、GAL（通用陣列邏輯）等可程式裝置的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。
FPGA本質也是一種晶片，是一種以數位電路為主的整合晶片。
FPGA於 1985 年由 Xilinx 創始人之一 Ross Freeman 發明，屬於可程式邏輯元件（Programmable Logic Device，PLD）的一種。這個時間比著名的摩爾定律出現的時間晚 20 年左右，但是 FPGA 一發明，後續的發展速度之快，超出大多數人的想像。
圖1 中給出了FPGA 晶片的實體圖：
圖1 FPGA晶片實體圖
在PLD 未發明之前，工程師使用包含若干個邏輯閘的離散邏輯晶片進行電路系統的搭建，複雜的邏輯功能實現起來較為困難。
為了解決這個問題，20 世紀70 年代，可程式邏輯陣列（Programmable Logic Array，PLA）問世，PLA 中包含了一些固定數量的與閘、非門，分別組成了「與平面”和“或平面”，即“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，以及僅可編程一次的連接矩陣（因為此處編程是基於熔絲工藝的），因此可以實現一些相對複雜的與、或多項表達式的邏輯功能，PLA 內部結構如圖2 所示：
與PLA 同時問世的還有可編程唯讀記憶體（Programmable Read-Only Memory，PROM），其內部結構如圖3 所示。與 PLA 相同，PROM 內部包含“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，但是與閘的連接矩陣是硬體固定的，只有或閘的連接矩陣可編程。
若只有與閘的連接矩陣可編程，而或閘的連接矩陣是硬體固定的，那麼這種晶片叫作可程式陣列邏輯裝置（Programmable Array Logic，PAL），根據輸出電路工作模式的不同，PAL 可分為三態輸出、暫存器輸出、互補輸出，但PAL 仍使用熔絲工藝，只可程式一次。 PAL 的結構圖如圖 4 所示。
在PAL 的基礎上，又發展出了通用陣列邏輯元件（Generic Array Logic，GAL），相比於PAL，GAL 有兩點改進：
GAL 的結構圖如圖5 所示：
早期的PLD 主要由上述四種類型的晶片組成，即PROM、PLA、PAL 和GAL。它們的共同特點是可以實現速度特性較好的邏輯功能，但由於其結構過於簡單，所以只能實現規模較小的數位電路。
隨著科技的發展、社會的進步，人們對晶片的整合度要求越來越高。早期的 PLD 產品無法滿足人們的需求，複雜可程式邏輯裝置（Complex Programmable Logic Device，CPLD）誕生。可以把 CPLD 看作 PLA 裝置結構的延續，一個 CPLD 元件也可以看作若干個 PLA 和一個可程式連接矩陣的集合。 CPLD 的內部結構圖如圖 6 所示。
FPGA 比 CPLD 早幾年問世，與 CPLD 並稱為高密度可程式邏輯元件，但它們有著本質上的差異。 FPGA 晶片的內部架構並沒有沿用類似PLA 的結構，而是採用了邏輯單元陣列（Logic Cell Array，LCA）這樣一個概念，改變了以往PLD 裝置大量使用與閘、非閘的思想，主要使用查找表和寄存器。
除此之外，FPGA 和 CPLD 在資源類型、速度等方面也有差異，如下表所示。
| 裝置種類/特性 | ##FPGACPLD | |
|---|---|---|
| 查找表（Look Up Table） | 乘積項（Product Term） | |
| 內部為SRAM 結構，外掛EEPROM 或Flash 儲存程式 | 在內部為EEPROM 或Flash | |
| 觸發器資源豐富 | 組合邏輯資源豐富 | |
| 高 | ||
| 使用場合 | 完成比較複雜的演算法 | |
| 速度 | ##快 |
FPGA 的類型從內部實現機制來講，可以分為基於 SRAM 技術、基於反熔絲技術、基於 EEPROM/Flash 技術。就電路結構來講，FPGA 可程式化是指三個方面的可程式化：可程式邏輯塊、可程式化 I/O、可程式佈線資源。可程式邏輯塊是 FPGA 可程式設計的核心，我們上面提到的三種技術也是針對可程式邏輯塊的技術。
FPGA 的結構圖如圖 7 所示。
許多讀者都知道FPGA功能強大，但它強大在哪裡？
以單晶片舉例說明，我們都知道，單晶片功能強大，幾乎無所不能，而 FPGA 與之相比只強不弱。因為只要單晶片能實現的功能，FPGA 就一定能實現，當然這需要加一個大前提──在 FPGA 資源夠多的情況下。但是 FPGA 能實現的功能，單晶片不一定能夠輕鬆實現，這是不爭的事實，如果你不相信，那隻能說明你還不了解 FPGA。
說到這裡，讀者不禁要問，既然 FPGA 這麼厲害，為什麼單晶片的使用範圍更廣？那是因為在商業中，價格往往是影響產品的重要因素之一。
單晶片的價格遠低於FPGA，而且根據性能和資源的不同，FPGA 的價格也存在很大差異，單枚FPGA 晶片的價格從幾十元到幾十萬元不等。與之相比，單晶片的價格便宜很多，同樣的功能我們如果可以用價格低廉的單晶片實現，就不會選擇相對昂貴的 FPGA 了，除非單晶片滿足不了功能需求。所以公司自己進行開發時，為了節省成本，可能會選擇更便宜的單晶片，而不會選擇相對昂貴的 FPGA，因為單晶片、ARM 這種微處理器的需求很大，所以價格上更有優勢。
但無論是單晶片、ARM 或 FPGA，它們都只是一種幫助我們實現功能的工具，具體如何選擇，需要根據具體問題具體分析。總之，沒有萬能的工具，只有符合生產需求的工具。我們不應對某種工具有偏見，要綜合考量。同樣，當你了解更多的時候，你會發現這些工具都需要掌握。
FPGA 的應用場景遠沒有單晶片和 ARM 這麼多，主要針對單晶片和 ARM 無法解決的問題。例如要求靈活高效、高吞吐量、低批量延時、快速並行運算、可重構、可重複編程、可實現客製化效能和客製化功耗的情況，這些工作只能由FPGA承擔。
而相對於為專門目的而設計的積體電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），FPGA 具有3 點優勢：
透過對FPGA 編程，FPGA 可以執行ASIC 能夠執行的任何邏輯功能。 FPGA 的獨特優勢在於其靈活性，即隨時可以改變晶片功能，在技術還未成熟的階段，這種特性能夠降低產品的成本與風險，在 5G 技術普及初期，這種特性尤為重要。
對FPGA 編程後即可直接使用，FPGA 方案無須經歷三個月至一年的晶片流片週期，為企業爭取了產品上市時間。
FPGA 與ASIC 的主要差異在於ASIC 方案有固定成本而FPGA 方案幾乎沒有，在使用量小的時候，採用FPGA 方案無須一次支付數百萬美元的流片成本，同時也不用承擔流片失敗的風險，此時FPGA 方案的成本低於ASIC 的，隨著使用量增加，FPGA 方案在成本上的優勢逐漸減少，超過某一使用量後，由於大量流片產生了規模經濟，因此ASIC 方案在成本上更有優勢，如下圖所示：
因此，FPGA 通常在數位訊號處理、視訊處理、影像處理、5G 通訊領域、醫療領域、工業控制、雲端服務、加速運算、人工智慧、資料中心、自動駕駛、晶片驗證等領域發揮著不可取代的作用。只有掌握了通用的 FPGA 設計方法，才能在 FPGA 獨領風騷的領域中大展宏圖。
FPGA 介於軟體和硬體之間，用它做介面、做通信，它就偏向硬體；用它做演算法、做控制，它就偏向軟體。隨著人工智慧、機器視覺的崛起，FPGA 更加偏向軟體演算法的異構，有和 GPU 一爭高下的潛力。
FPGA 與 GPU 效能比較圖如圖 9 所示：
FPGA 軟體方向：以軟體開發為主，開發 FPGA 在資料分析、人工智慧、機器視覺等領域的加速應用能力，主要採用 OpenCL 和 HLS 技術實現軟硬體協同開發。
FPGA 硬體方向：以邏輯設計為主，針對FPGA特定領域的應用設計、積體電路設計以及晶片驗證能力。
FPGA 最初的應用領域是通訊領域，但隨著資訊產業和微電子技術的發展，FPGA 技術已成為資訊產業最熱門的技術之一，應用範圍擴大，遍及航空航太、汽車、醫療、廣播、測試測量、消費性電子、工業控制等熱門領域，隨著製程的發展和技術的進步，從各個角度開始滲透到生活當中。
更多相關知識，請造訪常見問題欄位！
以上是fpga是什麼的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！
