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，我們先講講當年中興被制裁的問題。

美國前總統(tǒng)特朗普曾經發(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，我見過國內生產的FPGA芯片，還用過呢?！就ǔＳ龅竭@一類質疑聲，我一般都會說：你是對的！】

后來中興沒有辦法，只能妥協了，美國派了人入駐中興，還簽了一些協議。最后才恢復到原來的買賣關系中。

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

好了，我們來介紹下到底什么是FPGA吧！

一、什么是FPGA？

FPGA 是一種硬件可重構的體系結構。它的英文全稱是Field Programmable Gate Array，中文名是現場可編程門陣列。

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

在沒有FPGA之前，要想實現一個新計算機體架構的設計想法，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，就可以立即運行您設計的新架構。

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，許多新的架構應運而生因此，對可重構處理器的研究和對新FPGA架構的研究也開始蓬勃發(fā)展，在此之后，FPGA使用靈活，適用性強的特征在通信/圖像處理領域也大獲好評，并將其應用于路由器等通信網絡的各種設備中。

與ASIC的概念截然相反，FPGA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技術于上個世紀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)化產品“XC2000”。

近40年來，先后有超過60家以上的公司從事過FPGA技術與產品的研發(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，但絕大多數在耗費了上億美元后功虧一簣！

歐洲、日本、韓國、等經濟強國和中國臺灣等地區(qū)都尚未真正掌握其核心技術。

二、FPGA的應用場景

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

借助5G、自動駕駛、AI，FPGA需求還在逐步增大，未來空間還非常巨大。

1，通信領域。

通信領域需要高速的通信協議處理方式，另一方面通信協議隨時都在修改，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。電信標準不斷變化，建造電信設備非常困難，因此首先提供電信解決方案的公司往往會占領最大的市場份額。由于ASIC需要花費很長時間才能制造，因此FPGA提供了捷徑的機會。最初的電信設備版本開始采用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，算法領域。

FPGA對于復雜信號的處理性很強，可以處理多維信號。

3，嵌入式領域。

利用FPGA構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，尤其在圖形算法領域有得天獨厚的優(yōu)勢。

5，在工業(yè)自動化領域

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

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在夾縫中生存。

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

國外三巨頭占據90%全球市場，國產廠商暫時落后。

FPGA市場呈現雙寡頭壟斷格局，Xilinx和Altera分別占據全球市場56%和31%，

在中國FPGA市場中，占比也高達52%和28%，

由于技術、資金、人才上的壁壘及FPGA量產帶來的規(guī)模經濟，行業(yè)領導者地位較為穩(wěn)定。

國產廠商目前在中國市場占比約4%，未來隨著國產廠商技術突破，

FPGA領域國產替代或將是百億級的機會，替代空間廣闊。

Altera目前已被Intel收購，AMD正在收購賽靈思，預計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7、成都華微科技：出身國家“909”工程8、上海復旦微電子：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) 核是具有知識產權核的集成電路芯核總稱，是經過反復驗證過的、具有特定功能的宏模塊，與芯片制造工藝無關，可以移植到不同的半導體工藝中。

如果還不理解，你就當他是一個軟件模塊，或者是一個積木的部件。

比如賽靈思已經基于FPGA設計好了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，那么就相當于與我們的板子已經支持了這個功能。

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實現超前進位加法器：

例1：超前進位信號的產生原理

ab?=?1?-->?co?=?1
a?+?b?=?1,且ci?=?1?-->?co?=1
兩位多位數中第i位相加產生的進位輸出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

結果：

可以看到，這個和一般的高級語言差別比較大。

學習FPGA必須有過硬的硬件電路基礎。

例2：

上述為lattice的一款FPGA架構，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數據存儲“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進行“編程”，之后，再經過廠家提供的FPGA開發(fā)工具（Diamond或Radiant、vivado）的綜合、布局、布線，會產生bit文件或bin文件。

如果工程師將最終產生的bit文件或bin文件下載到FPGA中，就相當于一位硬件工程師，在FPGA芯片這塊已經放置了“元件”的“電路板”上，進行了布線操作。（也就是把毫無關聯的與器件，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，FPGA實現的功能是SPI轉并口，那么這塊FPGA就可以稱為“spi接口轉換板”。

當然，FPGA和“電路板”終究是不同的，FPGA可以進行重復編程，相當于一塊可以反復布線的電路板。

七、為什么效率會如此之高？

1. FPGA與GPU的區(qū)別本質上是體系結構的區(qū)別

CPU、GPU 都屬于馮·諾依曼結構，指令譯碼執(zhí)行、共享內存。

FPGA 本質上是無指令、無需共享內存的體系結構。

CPU與FPGA區(qū)別之（指令）：CPU結構——有指令：馮氏結構中，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、各種指令的運算器、分支跳轉處理邏輯。由于指令流的控制邏輯復雜，不可能有太多條獨立的指令流，
因此 GPU 使用 SIMD（單指令流多數據流）來讓多個執(zhí)行單元以同樣的步調處理不同的數據，CPU 也支持 SIMD 指令。FPGA結構——無需指令：而 FPGA 每個邏輯單元的功能在重編程（燒寫）時就已經確定，不需要指令。

CPU與FPGA區(qū)別之（內存）CPU結構——仲裁與共享內存：馮氏結構中使用內存有兩種作用。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結構——無需仲裁與共享內存：對于保存狀態(tài)的需求，FPGA 中的寄存器和片上內存（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，FPGA 每個邏輯單元與周圍邏輯單元的連接在重編程（燒寫）時就已經確定，并不需要通過共享內存來通信。

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

FPGA流水線與數據并行處理：例如：處理一個數據包有 10 個步驟，FPGA 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據包，每個數據包流經 10 級之后處理完成。每處理完成一個數據包，就能馬上輸出。

GPU數據并行處理：而 GPU 的數據并行方法是做 10 個計算單元，每個計算單元也在處理不同的數據包，

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

這就要求 10 個數據包必須一起輸入、一起輸出，輸入輸出的延遲增加了。

總結一句話，很多算法如果用純軟件實現，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品都會涉及到FPGA開發(fā)。

尤其在高校里，應用非常廣，
這個領域，特別容易發(fā)論文（博士論文）

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

通信領域用的比較多，還有些大數據的，比如說騰訊和百度也有類似的崗位做數據挖掘

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，和互聯網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。

一口君曾經和龍芯的技術人員交流過，他們的中流砥柱都是做FPGA出身的！