什么是FPGA？嵌入式方向中的FPGA怎么樣？

很多粉絲問我，嵌入式方向中的FPGA怎么樣？收入如何？

講述FPGA前，我們先講講當(dāng)年中興被制裁的問題。

美國前總統(tǒng)特朗普曾經(jīng)發(fā)布過一條禁令，由于中興違反了美國的某個條例，禁止美國已經(jīng)國外任何一家公司向中興銷售FPGA芯片。

這個時候，一定會有抬杠青年說，我見過國內(nèi)生產(chǎn)的FPGA芯片，還用過呢?！就ǔＳ龅竭@一類質(zhì)疑聲，我一般都會說：你是對的！】

后來中興沒有辦法，只能妥協(xié)了，美國派了人入駐中興，還簽了一些協(xié)議。最后才恢復(fù)到原來的買賣關(guān)系中。

要知道CPU、GPU、FPGA三者能力相加就是芯片的未來！

FPGA門檻之高在芯片行業(yè)里無出其右。

FPGA是一個本領(lǐng)群集型的行業(yè)，沒有堅實的本領(lǐng)功底，很難造成有角逐力的產(chǎn)物。

好了，我們來介紹下到底什么是FPGA吧！

一、什么是FPGA？

FPGA 是一種硬件可重構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)。它的英文全稱是Field Programmable Gate Array，中文名是現(xiàn)場可編程門陣列。

FPGA就是一個可以通過編程來改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的芯片，F(xiàn)PGA常年來被用作專用芯片（ASIC）的小批量替代品，同時也在微軟、百度等公司的數(shù)據(jù)中心大規(guī)模部署，以同時提供強(qiáng)大的計算能力和足夠的靈活性。

在沒有FPGA之前，要想實現(xiàn)一個新計算機(jī)體架構(gòu)的設(shè)計想法，必須要開發(fā)一個ASIC作為原型，在面板上安裝很多個體積龐大的IC。

但是，與這些需要投入巨大成本和精力的方式不同，一旦用戶創(chuàng)建了具有多個FPGA的原型板，就可以立即運(yùn)行您設(shè)計的新架構(gòu)。

而且，修正和更改規(guī)格也變得輕松簡單。

要知道、流片的價格可不低！

因此，許多新的架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生因此，對可重構(gòu)處理器的研究和對新FPGA架構(gòu)的研究也開始蓬勃發(fā)展，在此之后，F(xiàn)PGA使用靈活，適用性強(qiáng)的特征在通信/圖像處理領(lǐng)域也大獲好評，并將其應(yīng)用于路由器等通信網(wǎng)絡(luò)的各種設(shè)備中。

與ASIC的概念截然相反，F(xiàn)PGA的概念是在短時間能以低成本讓用戶得到想要的邏輯。

賽靈思Xilinx公司

可編程FPGA技術(shù)于上個世紀(jì)80年代初由美國賽靈思Xilinx公司發(fā)明。

Xilinx于1985年首次推出商業(yè)化產(chǎn)品“XC2000”。

近40年來，先后有超過60家以上的公司從事過FPGA技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)，其中包括Intel、IBM、AMD、TI、GE、AT&T、摩托羅拉、朗訊、三星、東芝、飛利浦等實力雄厚的大公司，但絕大多數(shù)在耗費(fèi)了上億美元后功虧一簣！

歐洲、日本、韓國、等經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國和中國臺灣等地區(qū)都尚未真正掌握其核心技術(shù)。

二、FPGA的應(yīng)用場景

FPGA是集成電路大產(chǎn)業(yè)中的小領(lǐng)域，5G和AI為行業(yè)增長提供確定性，國產(chǎn)替代疊加行業(yè)增長，國產(chǎn)FPGA市場騰飛在即。

借助5G、自動駕駛、AI，F(xiàn)PGA需求還在逐步增大，未來空間還非常巨大。

1，通信領(lǐng)域。

通信領(lǐng)域需要高速的通信協(xié)議處理方式，另一方面通信協(xié)議隨時都在修改，不適合做成專門的芯片，所以能夠靈活改變的功能的FPGA就成了首選

電信行業(yè)一直大量使用FPGA。電信標(biāo)準(zhǔn)不斷變化，建造電信設(shè)備非常困難，因此首先提供電信解決方案的公司往往會占領(lǐng)最大的市場份額。由于ASIC需要花費(fèi)很長時間才能制造，因此FPGA提供了捷徑的機(jī)會。最初的電信設(shè)備版本開始采用FPGA，這引發(fā)了FPGA價格沖突。盡管FPGA的價格與ASIC仿真市場無關(guān)緊要，但電信芯片的價格卻很重要。許多年前，AT＆T和朗訊制造了自己的FPGA，稱為ORCA（優(yōu)化的可重配置單元陣列），但就硅片的速度或尺寸而言，它們與Xilinx或Altera不具有競爭優(yōu)勢。

2，算法領(lǐng)域。

FPGA對于復(fù)雜信號的處理性很強(qiáng)，可以處理多維信號。

3，嵌入式領(lǐng)域。

利用FPGA構(gòu)建一個嵌入式的底層環(huán)境，然后在此之上編寫一些嵌入式軟件，事務(wù)性的操作更加繁雜一些，對FPGA的操作較少。

4，在安防監(jiān)控領(lǐng)域

目前CPU很難做到多通道處理和只能檢測分析，但是加上FPGA之后就可以輕松解決了，尤其在圖形算法領(lǐng)域有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

5，在工業(yè)自動化領(lǐng)域

FPGA可以做到多通道的馬達(dá)控制，目前馬達(dá)電力消耗占據(jù)全球能源消耗的大頭，在節(jié)能環(huán)保的趨勢下，未來各類精準(zhǔn)控制馬達(dá)得以采用，一片F(xiàn)PGA就可以控制大量的馬達(dá)。

三、公司

FPGA多年來被四大巨頭Xilinx（賽靈思）、Altera（阿爾特拉）、Lattice（萊迪思）、Microsemi(美高森美)壟斷。

還有一些小公司勉強(qiáng)在夾縫中生存。

其中Xilinx(賽靈思)是全球領(lǐng)先的可編程邏輯完整解決方案的供應(yīng)商。Xilinx研發(fā)、制造并銷售范圍廣泛的高級集成電路、軟件設(shè)計工具以及作為預(yù)定義系統(tǒng)級功能的IP（Intellectual Property）核。

國外三巨頭占據(jù)90%全球市場，國產(chǎn)廠商暫時落后。

FPGA市場呈現(xiàn)雙寡頭壟斷格局，Xilinx和Altera分別占據(jù)全球市場56%和31%，

在中國FPGA市場中，占比也高達(dá)52%和28%，

由于技術(shù)、資金、人才上的壁壘及FPGA量產(chǎn)帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者地位較為穩(wěn)定。

國產(chǎn)廠商目前在中國市場占比約4%，未來隨著國產(chǎn)廠商技術(shù)突破，

FPGA領(lǐng)域國產(chǎn)替代或?qū)⑹前賰|級的機(jī)會，替代空間廣闊。

Altera目前已被Intel收購，AMD正在收購賽靈思，預(yù)計2021年底完成收購。

我國FPGA公司

1、京微齊力：二次創(chuàng)業(yè)，瞄準(zhǔn)AI云邊端2、上海遨格芯：從編譯軟件切入生態(tài)鏈3、廣東高云：28nm中高密度FPGA4、深圳紫光同創(chuàng)：高性能FPGA已量產(chǎn)商用5、西安智多晶：小米為第四大股東6、上海安路科技：28nm今年批量供應(yīng)7、成都華微科技：出身國家“909”工程8、上海復(fù)旦微電子：超大規(guī)模億門級FPGA

五、IP核

FPGA有個最重要的概念就是IP核。

IP(Intelligent Property) 核是具有知識產(chǎn)權(quán)核的集成電路芯核總稱，是經(jīng)過反復(fù)驗證過的、具有特定功能的宏模塊，與芯片制造工藝無關(guān)，可以移植到不同的半導(dǎo)體工藝中。

如果還不理解，你就當(dāng)他是一個軟件模塊，或者是一個積木的部件。

比如賽靈思已經(jīng)基于FPGA設(shè)計好了UDP 核、PCIE xDMA 核、UART 核，我們只需要把人家的核添加到我們工程中，那么就相當(dāng)于與我們的板子已經(jīng)支持了這個功能。

對于FPGA 開發(fā)軟件，其提供的IP核越豐富，用戶的設(shè)計就越方便，其市場占用率就越高。

一句話：IP核很值錢！

六、語言和舉例

talk is cheap，show you code！

下面我們舉一個例子來講解

下面我們用verilog實現(xiàn)超前進(jìn)位加法器：

例1：超前進(jìn)位信號的產(chǎn)生原理

ab?=?1?-->?co?=?1
a?+?b?=?1,且ci?=?1?-->?co?=1
兩位多位數(shù)中第i位相加產(chǎn)生的進(jìn)位輸出co(i)可以表示位

coi=aibi+(ai+bi)(cii)
從全加器的真值表寫出第i位和s(i)的邏輯式：
si=aibi′cii′+ai′bicii′+ai′bi′cii+(ai+bi)cii
上式變換位異或函數(shù)位：
si=ai⊕bi⊕cii

代碼：

module?carry_look_aheadadder(
?????????????????????????????output?????[3:0]???s,
?????????????????????????????output?????????????co,
?????????????????????????????input??????[3:0]???a,
?????????????????????????????input??????[3:0]???b,
?????????????????????????????input??????????????ci
?????????????????????????????);
wire??[3:0]????co_tmp;
wire??[3:0]????cin;

assign??cin[3:0]??=?{co_tmp[2:0],ci};

//計算中間進(jìn)位
assign??co_tmp[0]?=?a[0]&b[0]?||?(a[0]?||?b[0])&(cin[0]);
assign??co_tmp[1]?=?a[1]&b[1]?||?(a[1]?||?b[1])&(cin[1]);
assign??co_tmp[2]?=?a[2]&b[2]?||?(a[2]?||?b[2])&(cin[2]);
assign??co_tmp[3]?=?a[3]&b[3]?||?(a[3]?||?b[3])&(cin[3]);

//計算和
assign?s[0]?=?a[0]?^?b[0]?^?cin[0];
assign?s[1]?=?a[1]?^?b[1]?^?cin[1];
assign?s[2]?=?a[2]?^?b[2]?^?cin[2];
assign?s[3]?=?a[3]?^?b[3]?^?cin[3];

assign?co?=?co_tmp[3];
endmodule

module?carry_look_aheadadder_tb;
wire??????[3:0]???????s;
wire??????????????????co;
reg???????[3:0]???????a;
reg???????[3:0]???????b;
reg???????????????????ci;

initial
begin
??????????a?=?4'b0000;?b?=?4'b0000;?ci?=?0;?
????#10???a?=?4'b1111;?b?=?4'b1111;?ci?=?0;?
????#10???a?=?4'b1100;?b?=?4'b1001;?ci?=?0;?
????#10???a?=?4'b0111;?b?=?4'b0110;?ci?=?0;?
????#10???a?=?4'b0101;?b?=?4'b0101;?ci?=?1;?
????#10???a?=?4'b1110;?b?=?4'b1001;?ci?=?1;?
????#10???a?=?4'b0010;?b?=?4'b0110;?ci?=?1;?
????#10???a?=?4'b0110;?b?=?4'b1100;?ci?=?1;?
????#10???$finish;
end

initial?begin
??$fsdbDumpfile("test.fsdb");
??$fsdbDumpvars();
end

carry_look_aheadadder?u_carry_look_aheadadder(
??????????????????????????????????????????????.s(s),
??????????????????????????????????????????????.co(co),
??????????????????????????????????????????????.a(a),
??????????????????????????????????????????????.b(b),
??????????????????????????????????????????????.ci(ci)
??????????????????????????????????????????????);

endmodule

結(jié)果：

可以看到，這個和一般的高級語言差別比較大。

學(xué)習(xí)FPGA必須有過硬的硬件電路基礎(chǔ)。

例2：

上述為lattice的一款FPGA架構(gòu)，你可以把它想象成一塊放滿電子元件的硬件電路板，圖中“電路板”上的元件有IIC和SPI硬核接口“器件”，有NVCM程序存儲“器件”，有RAM數(shù)據(jù)存儲“器件”，還有最小單元的LUT（查找表）器件。

一般FPGA工程師會使用硬件描述語言Verilog或者VHDL對FPGA進(jìn)行“編程”，之后，再經(jīng)過廠家提供的FPGA開發(fā)工具（Diamond或Radiant、vivado）的綜合、布局、布線，會產(chǎn)生bit文件或bin文件。

如果工程師將最終產(chǎn)生的bit文件或bin文件下載到FPGA中，就相當(dāng)于一位硬件工程師，在FPGA芯片這塊已經(jīng)放置了“元件”的“電路板”上，進(jìn)行了布線操作。（也就是把毫無關(guān)聯(lián)的與器件，用銅線連接起來）

下載程序后的FPGA，我們就不能簡單稱之為“電路板”了。

舉個例子，F(xiàn)PGA實現(xiàn)的功能是SPI轉(zhuǎn)并口，那么這塊FPGA就可以稱為“spi接口轉(zhuǎn)換板”。

當(dāng)然，F(xiàn)PGA和“電路板”終究是不同的，F(xiàn)PGA可以進(jìn)行重復(fù)編程，相當(dāng)于一塊可以反復(fù)布線的電路板。

七、為什么效率會如此之高？

1. FPGA與GPU的區(qū)別本質(zhì)上是體系結(jié)構(gòu)的區(qū)別

CPU、GPU 都屬于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，指令譯碼執(zhí)行、共享內(nèi)存。

FPGA 本質(zhì)上是無指令、無需共享內(nèi)存的體系結(jié)構(gòu)。

CPU與FPGA區(qū)別之（指令）：CPU結(jié)構(gòu)——有指令：馮氏結(jié)構(gòu)中，由于執(zhí)行單元（如 CPU 核）可能執(zhí)行任意指令，就需要有指令存儲器、譯碼器、各種指令的運(yùn)算器、分支跳轉(zhuǎn)處理邏輯。由于指令流的控制邏輯復(fù)雜，不可能有太多條獨(dú)立的指令流，
因此 GPU 使用 SIMD（單指令流多數(shù)據(jù)流）來讓多個執(zhí)行單元以同樣的步調(diào)處理不同的數(shù)據(jù)，CPU 也支持 SIMD 指令。FPGA結(jié)構(gòu)——無需指令：而 FPGA 每個邏輯單元的功能在重編程（燒寫）時就已經(jīng)確定，不需要指令。

CPU與FPGA區(qū)別之（內(nèi)存）CPU結(jié)構(gòu)——仲裁與共享內(nèi)存：馮氏結(jié)構(gòu)中使用內(nèi)存有兩種作用。一是保存狀態(tài)，二是在執(zhí)行單元間通信。由于內(nèi)存是共享的，就需要做訪問仲裁；為了利用訪問局部性，每個執(zhí)行單元有一個私有的緩存，這就要維持執(zhí)行部件間緩存的一致性。

FPGA結(jié)構(gòu)——無需仲裁與共享內(nèi)存：對于保存狀態(tài)的需求，F(xiàn)PGA 中的寄存器和片上內(nèi)存（BRAM）是屬于各自的控制邏輯的，無需不必要的仲裁和緩存。對于通信的需求，F(xiàn)PGA 每個邏輯單元與周圍邏輯單元的連接在重編程（燒寫）時就已經(jīng)確定，并不需要通過共享內(nèi)存來通信。

FPGA 同時擁有流水線并行和數(shù)據(jù)并行，而 GPU 幾乎只有數(shù)據(jù)并行（流水線深度受限）。

FPGA流水線與數(shù)據(jù)并行處理：例如：處理一個數(shù)據(jù)包有 10 個步驟，F(xiàn)PGA 可以搭建一個 10 級流水線，流水線的不同級在處理不同的數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包流經(jīng) 10 級之后處理完成。每處理完成一個數(shù)據(jù)包，就能馬上輸出。

GPU數(shù)據(jù)并行處理：而 GPU 的數(shù)據(jù)并行方法是做 10 個計算單元，每個計算單元也在處理不同的數(shù)據(jù)包，

然而所有的計算單元必須按照統(tǒng)一的步調(diào)，做相同的事情（SIMD，Single Instruction Multiple Data）。

這就要求 10 個數(shù)據(jù)包必須一起輸入、一起輸出，輸入輸出的延遲增加了。

總結(jié)一句話，很多算法如果用純軟件實現(xiàn)，需要很多條指令才能完成，
如果用FPGA，只需要在有限個時鐘周期即可完成，速度快的不是一點(diǎn)半腥。

八、收入

FPGA軍品使用非常廣泛，基本上只要涉及無線通信的產(chǎn)品都會涉及到FPGA開發(fā)。

尤其在高校里，應(yīng)用非常廣，
這個領(lǐng)域，特別容易發(fā)論文（博士論文）

還有一些其他領(lǐng)域都是些小公司，工控機(jī)器人，3d成像，裸眼3d公司，led拼接屏公司，

通信領(lǐng)域用的比較多，還有些大數(shù)據(jù)的，比如說騰訊和百度也有類似的崗位做數(shù)據(jù)挖掘

一口君隨手截取了某APP發(fā)布的南京、上海、深圳的FPGA崗位信息。

可見收入一般2萬到5萬，和互聯(lián)網(wǎng)寡頭動輒上百萬年薪，沒法比，和金融收入也沒法比，整體來說中規(guī)中矩吧！

對比軟件行業(yè)屬于薪水較低 但是經(jīng)驗積累時間長了，工資會很高，越老越厲害，后面就比軟件工資高了。

一口君曾經(jīng)和龍芯的技術(shù)人員交流過，他們的中流砥柱都是做FPGA出身的！