FPGA芯片选型十步

　　FPGA全称是Field Programmable Gate Array，中文名是现场可编程门阵列，是一种硬件可重构的集成电路芯片，现场可编程性是FPGA的最大特点。FPGA芯片灵活性高、应用开发成本低、上市时间短等优势使其应用场景覆盖了包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等广泛的下游市场。

　　图1、英特尔Agilex FPGA

　　FPGA由可编程的逻辑单元(Logic Cell)、和外部进行信号交互的输入输出单元(Input Output Block)与连接前两种元素的开关连线阵列(Switch Box)共三个部分构成。从产品发展角度，先进工艺(制程)、先进封装可以提升FPGA容量，而同工艺下优化基础单元LC的设计及其他系统设计可以提升FPGA的性能，同时软件的持续优化、丰富的软核IP库也是不同厂商竞争力高低的体现。

　　FPGA的类型从内部实现机理来讲，可以分为基于SRAM 技术、基于反熔丝技术、基于EEPROM/Flash技术。就电路结构来讲，FPGA可编程是指三个方面的可编程：可编程逻辑块、可编程I/O、可编程布线资源。可编程逻辑块是FPGA可编程的核心。

　　图2、FPGA结构图

　　1️⃣FPGA优势所在

　　随着传统产业的升级迭代、新兴产业的快速发展，信息数据的规模呈指数级增长，集成电路下游应用场景不断丰富。而在摩尔定律的发展规则下，现阶段集成电路性能提升速度已无法满足数据增长对计算性能需求的增长速度。因此在芯片材料等基础技术未取得突破前，一种有效的解决方法就是采用专用“CPU+协处理器”来提升处理性能。现有的协处理器主要有FPGA、GPU和ASIC专用芯片，其中FPGA芯片由于其独特的架构拥有其他协处理器无法比拟的优势：

　　①灵活性：在数据密集型任务的执行中，ASIC专用芯片作为协处理器在吞吐量、延迟和功耗三方面具有优势，GPU在峰值性能和内存接口带宽上具有优势，但ASIC和GPU受制于功能的固化，应用范围较为狭窄。

　　相较于ASIC专用芯片和GPU，FPGA芯片拥有更高的灵活性和更丰富的选择性，在5G 初期这种特性尤为重要。通过对FPGA编程，用户可随时改变芯片内部的连接结构，实现任何逻辑功能。尤其是在技术标准尚未成熟或发展更迭速度快的行业领域，FPGA能有效帮助企业降低投资风险及沉没成本，是一种兼具功能性和经济效益的选择。

　　此外，FPGA还可在不同的业务需求之间灵活调配，以放大经济效益，如白天用于搜索业务排序的处理器，晚上工作量较少的情况下，可将其中FPGA重新配置成离线数据分析的模块，提供离线数据分析服务，提升设备利用率。

　　②并行性：CPU、GPU都属于冯·诺依曼结构，该结构具有软件编程的顺序特性。在执行任务时，执行单元需按顺序通过取值、译码、执行、访存以及写回等一系列流程完成数据处理，且多方共享内存导致部分任务需经访问仲裁，从而产生任务延时。而FPGA是典型的硬件逻辑，每个逻辑单元与周围逻辑单元的连接构造在重编程(烧写)时就已经确定，寄存器和片上内存属于各自的控制逻辑，无需通过指令译码、共享内存来通信，各硬件逻辑可同时并行工作，大幅提升数据处理效率。尤其是在执行重复率较高的大数据量处理任务时，FPGA相比CPU等优势明显。

　　图3、四类主流芯片对比

　　③用量较小时的成本优势：ASIC等方案有固定成本，而FPGA方案几乎没有。对客户而言，由于FPGA方案无需支付高额的流片成本，也不用承担流片失败风险，对于小批量多批次的专用控制设备，FPGA方案的成本低于ASIC等方案，具有成本优势。

　　综上，FPGA不仅拥有软件的可编程性和灵活性，还兼具硬件的并行性和低延时性，在上市周期、成本上也具有优势。因此，在5G通信、人工智能等具有较频繁的迭代升级周期、较大的技术不确定性的领域，FPGA是较为理想的解决方案。

　　2️⃣FPGA市场现状

　　根据Frost&Sullivan发布的数据显示，2021年全球FPGA市场规模为68.6亿美元，相较2020年的60.8亿美元，同比增长12.8%。对于未来发展趋势，Frost&Sullivan预测，全球FPGA需求将从2021年的68.6亿美元增长至2025年的125.8亿美元，年均复合增长率约为16.4%。

　　虽然市场体量增长趋于乐观，但是经过40多年的发展，FPGA的全球竞争格局已经相当稳定。目前全球FPGA主要供应商包括AMD(赛灵思)、英特尔(阿尔特拉)、莱迪思和微芯(美高森美)等，2021年这四家行业寡头的市占率分别达到了51%、29%、7%和6%，累计占据全球93%的FPGA市场份额。

　　图4、2021年全球FPGA市场分布情况

　　从下游应用市场角度来看，FPGA芯片下游涉及通信、工业、军工/航天、汽车和数据中心等领域，其中通信市场占比最高，且有望持续提升，而在以上领域中，汽车预计增速最快。

　　国产FPGA厂商以复旦微、紫光同创、安路科技等为代表。国内厂商在技术水平、成本控制能力、软件易用性等方面都与头部FPGA厂商存在较大的差距，市场份额较小，在2021年仅占据国内16%市场份额。在FPGA这一重要领域实现国产替代具有紧迫性和必要性。以复旦微为例，复旦微目前已率先采用28nm工艺制程实现了亿门级FPGA芯片的量产出货;但与赛灵思等国际领先厂商相比，仍然存在一定的差距。

　　3️⃣FPGA选型

　　工程师在产品设计开发时，如何选择一款符合设计需求的FPGA芯片?

　　第一步：选定器件特色

　　操作：第一个关注的应该是FPGA器件的专用资源。

　　1、高速BANK的引脚

　　若需要高速接口，需要多少个通道，各个通道需要的最高收发速度是多少。工艺制程影响着门级规模，越高的制程工艺，那么在同样面积大小的晶圆上就可以做出更大规模的门级电路，当然也具有更大的设计空间。

　　2、18*18的乘法器

　　若需要实现运算量较大的算法模块时，则要求FPGA器件需要有大量的DSP模块，并拥有足够多的RAM块来配合这些DSP模块。

　　3、PLL锁相环数量

　　4、IP核，包括两方面：

　　一是芯片厂家的IP核的丰富性，如果提供足够多的IP核，覆盖我们的设计，当然是最好不过的;RAM/FIFO/ROM等;

　　二是芯片厂家是否愿意以可接受的价格(更多可能是免费)的方式将这些IP核提供给我们。LVDS/eDP/MIPI/网口等。

　　IP核的使用可以大大减少开发周期，缩短工时，降低开发成本，因此选型时也需要考虑这部分。

　　第二步：规模大小(逻辑量)

　　推荐：第一版本，项目所需逻辑量占芯片总逻辑量的60%以内。后续还需要升级版本，需要预留部分引脚和逻辑量。

　　操作：在选型时，因为FPGA设计还未开始，很难确定FPGA器件的规模。

　　通常的做法：针对本次设计中想要用的FPGA器件系列，重新编译之前的某些功能模块，以便获得一个大致正确的规模估计。

　　如果设计中使用了IP，这些IP核也需要编译后，加入到总面积估算中。再将需要加入的新功能进行设计估算。两方面加起来后，在此基础上预估再增加20%-30%，基本上可以满足之后的设计需求。

　　甚至有时，现有的嵌入式逻辑分析仪也需要耗费内部存储模块，调试过程的资源消耗可能也需要考虑在内。

　　若FPGA留有余量：避免时序收敛对设计的影响，减少开发周期，快速进入板上调试阶段;

　　则对设计后期修改或产品版本更新所增加的逻辑单元，就能比较容易的被接纳;

　　设计在FPGA上正常运行后，如果FPGA上有大量未使用的资源，此时可以考虑换区一个比较小的器件以降低成本，这时候要注意的就是引脚在移植代码时的修改问题。

　　第三步：SerDes速度需求

　　SerDes的传输速率，直接影响FPGA在进行高速数据传输、处理时的性能。首先需要分析功能需求，然后在平衡资源与速度后，估计速度需求。同样也可以根据之前的设计来确定，根据FPGA供应商提供的datasheet，在最大速度的基础上，留出足够的安全余量，确定选型。

　　当然，也可以直接选择同类型的速度等级最高的器件，尽早的进入设计调试阶段。等功能完善之后，再选用一个较慢的FPGA器件来做降成本的设计。

　　推荐：尽量不用选择某一系列里最低速度等级的芯片，不是晶圆靠近中心的位置，器件的稳定性需要考量。

　　第四步：引脚

　　设计需要I/O接口类型，直接影响到FPGA器件所需要的引脚数目和封装类型。在此必须知道I/O标准和驱动强度，以及外部的接口电气标准。

　　甚至有时候调试阶段，也需要预留部分引脚作为调试引脚(内嵌逻辑分析仪的资源不够时)。

　　综合：需要确定“芯片总引脚”和“差分对引脚”;

　　芯片引脚=专用引脚(配置引脚+DDR3/4/5专用引脚+高速BANK差分对引脚)+用户引脚(差分对引脚+单端引脚)。

　　第五步：器件的生命周期

　　一些老旧器件可能会面临停产的风险，如果开发周期超过两年以上，建议选择最新或者次新的器件，因为几年后，目前最新或者次新的FPGA器件在经济上是比较划算的，也不用担心停产，导致供货不足影响产品出货。

　　第六步：功耗

　　FPGA工艺制程直接影响芯片的功耗、性能和成本，如果功耗过大，那么在硬件设计时就需要考虑电源的功率和散热问题。根据设计的功能需求，确定FPGA需要使用的电源。例如对IP核、I/O、transceiver等模块，提供各自独立的电源层，FPGA需要的电源个数越多，电路板上的元器件成本就越高。

　　所以需要根据之前的设计、FPGA供应商提供的功耗评估软件等估算将要消耗的功耗，从而确定所需的器件。

　　第七步：器件的兼容性、生态和知识产权问题

　　国产FPGA是从逆向设计转到自主研发的，有的国内FPGA厂商提供有完全兼容赛灵思、阿尔特拉部分型号的FPGA芯片，对于这类产品，需要考虑FPGA硬件和软件的兼容性。

　　硬件方面，是Pin对Pin兼容，可以无需修改电路直接替换，还是需要做一些改动，比如高速接口的阻抗匹配、走线长度等等。

　　软件方面，需要考虑开发工具的兼容性，比如FPGA开发、调试、下载工具，MCU开发工具，IP核和RTL级代码、原语的兼容性等等，是否需要在原来的开发环境基础上安装额外的补丁包来适配。

　　另外，如果你的产品需要出口到国外地区进行销售，使用兼容型号的FPGA芯片，可能会涉及到知识产权问题，要和芯片厂商沟通确认。

　　对于一些国产FPGA器件，其开发软件稳定性较低，可能会额外增加开发成本，提高风险，因此在选型时，需注意;如果是完全自主研发的FPGA芯片，需要考虑芯片的生态，包括开发图形化EDA开发工具的使用，对第三方工具的支持，如Modelsim，是否支持Verilog/VHDL混合编程，提供的IP核的丰富程度，开发板，芯片手册/应用文档等。

　　但也有优点，国产厂商的服务非常好，有问题的话，能很快反馈信息。

　　第八步：可靠性、稳定性和一致性

　　器件在高低温、强辐射等极端环境下的性能表现：FPGA通常应用在一些需要高速、实时处理的场景，可靠性、稳定性极为重要。芯片在不同温度、湿度、震动、盐雾等环境下的性能表现?芯片的寿命能使用多久?每颗芯片的性能参数是否在一定范围内保持一致?这些都是需要在芯片选型时考虑周到的问题。

　　第九步：产品的继承性和可替代性

　　一些常用功能模块的可移植性，考虑选型时，可能需要多考虑可以继承上一代产品的可用器件。

　　第十步：产品性价比、货源

　　芯片的性价比是极为重要的一个因素，相比于赛灵思和阿尔特拉，如果同等性能的芯片，国产FPGA芯片有价格优势，我相信很多用户会选择进行国产替代。

　　从设计角度来考虑，还需要看这款芯片的电源要求、外围电路、阻抗走线、封装等是否是常用的设计要求。

　　从供应链角度，需要考虑这款芯片的供货稳定性、供货周期等多个因素。

　　4️⃣国产FPGA

　　1、紫光同创

　　紫光同创的FPGA产品分为3大系列：Titan、Logos和Compa系列。

　　Titan系列

　　高速、高性能。Titan系列是中国第一款国产自主产权千万门级高性能FPGA产品，174K等效LUT4单元，最高频率500MHz，5.0Gbps SERDES接口，800Mbps DDR3和LVDS，PCIe Gen2x4，适用于通信网络、信息安全、数据中心、工业控制等领域。

　　Logos系列

　　高性价比。全新LUT5结构，集成RAM、DSP、ADC、SERDES、DDR3等丰富的片上资源，支持多种标准IO，LVDS、MIPI接口等，广泛应用于工业控制、通信、消费类等领域，是大批量、成本敏感型项目的理想选择。

　　Compact系列

　　CPLD产品，低功耗、低成本。Compa系列CPLD产品，低功耗、低成本、小尺寸，支持MIPI、LVDS、I2C、SPI、OSC、RAM、PLL等，用户IO高达383个，支持3.3/2.5V内核、或1.2V低电压内核，适用于系统配置、接口扩展和桥接、板级电源管理、上电时序管理、传感器融合等应用需求。

　　紫光同创的FPGA产品软硬件生态比较好，芯片文档手册、评估板与下载器、EDA软件与License、IP核资源、线下培训、大学计划、比赛赞助等等做得都很不错。

　　2、安路

　　FPGA共有两大系列：SALEAGLE和SALELF系列

　　SALEAGLE系列

　　分为两个产品型号：EG4和AL3。

　　EG4：19600个 LUT，55nm工艺，静态功耗最低5.5mA，DSP、BRAM、高速差分IO，用户IO数量71到193个，片上8位ADC，1M采样率，8通道输入。

　　AL3：8640个 LUT，65nm工艺，静态功耗最低4mA，用户IO数量从60到184个，丰富的DSP、BRAM、高速差分IO等资源，强大的引脚兼容替换性能。

　　SALELF系列

　　小精灵系列FPGA，共有3代产品，单芯片方案，即时启动，无需要外部Flash，支持OTP模式，55nm工艺，部分产品型号内嵌硬核MCU。

　　安路科技还自主研发了FPGA集成开发环境——TangDynasty(TD)，支持标准的设计输入方式，完整的电路优化流程以及丰富的分析与调试工具，并提供良好的第三方设计验证工具接口，为所有基于安路科技FPGA产品的应用设计提供有力支持。

　　3、高云

　　FPGA产品主要有两个系列：晨曦系列和蜜蜂系列。

　　晨熙系列

　　55nm SRAM工艺，具有高性能的 DSP 资源，高速 LVDS 接口以及丰富的 B-SRAM 存储器资源，适用于高速低成本的应用场合。

　　小蜜蜂家族

　　低功耗、低成本、瞬时启动、高安全性的非易失性可编辑逻辑器件。包括SoC产品和非SoC产品，SoC产品内嵌 ARM Cortex-M3硬核处理器，GW1NS系列产品内嵌 USB2.0 PHY、用户闪存以及 ADC 转换器。

　　SoC产品实现了可编程逻辑器件和嵌入式处理器的无缝连接，兼容多种外围器件标准，可大幅降低用户成本，可广泛应用于工业控制、通信、物联网、伺服驱动、消费等多个领域。

　　GW1NRF系列蓝牙 FPGA器件，以 32 位硬核微处理器为核心，支持蓝牙 5.0 低功耗射频功能，具有丰富的逻辑单元、内嵌 B-SRAM 和 DSP 资源，IO 资源丰富，系统内部有电源管理模块和安全加密模块。

　　4、复旦微

　　复旦微是国内FPGA领域技术较为领先的公司之一，目前已可提供千万门级FPGA芯片、亿门级FPGA芯片以及嵌入式可编程器件(PSoC)共三个系列的产品。复旦微的亿门级FPGA芯片，基于28nm工艺制程，采用业内先进的CMOS工艺，是国内最早研制成功的亿门级FPGA芯片，且目前已经实现了量产销售。

　　复旦微于2019年推出自主研发致力于完整可编程器件开发流程的工具软件Procise，是国内FPGA领域首款超大规模全流程EDA设计工具，其界面友好、功能强大且简单易用，但由于推出时间较赛灵思的Vivado晚，版本迭代次数相对较少，开发工具各项功能及可用IP库还需进一步完善。公司也在积极开发新一代14/16nm工艺制程10亿门级产品的开发，同时结合CPU、AI技术，在国内率先开发PSoC芯片，拓展新的战场，保持公司在国产FPGA技术上的领先地位。

　　下图是基于复旦微FMQL45T900芯片的开发板，可替代Xilinx ZYNQ FPGA 7045，集成FPGA和四核ARM Cortex-A7。

　　5、智多晶

　　智多晶FPGA共分为3个系列：Seagull 1000，Seagull 2000和Seagull 5000系列。

　　Seagull 1000系列

　　64、128、256逻辑单元可选，0.162um工艺，最大频率Fmax=322MHz

　　Seagull 2000系列

　　5K、12K、25K逻辑单元可选，低功耗55nm工艺，内置硬核DSP，内置 Flash，LVDS最高发送速率可达840Mbps，接收速率可达875Mbps，支持400Mbps DDR2 SDRAM接口，支持MIPI，接口速率高达1.2Gbps，支持常见的LVDS、LVCMOS、LVTTL等IO标准。

　　Seagull 5000系列

　　30K 至 325K 逻辑单元的器件，多达 500 个用户IO，LUT6结构，先进 28nm 铜 CMOS 工艺，最大频率500MHz，硬件乘法器，LVDS 接口高达 1.6 Gbps，嵌入式硬核ARM、ADC、DDR2/3控制器。

　　6、京微齐力

　　FPGA共分为：HME-R(河)、HME-M(华山)、HME-P(飞马)和HME-H(大力神)4个系列。目前已经全面实现65/55/40nm量产，2022年开始22nm规模量产。

　　HME-R系列

　　低功耗、高性价比，40nm工艺，LUT4结构，逻辑容量为1-3K，主要面向低功耗应用领域，内嵌存储器，最小支持1.5mmx1.5mm封装。

　　HME-H系列

　　集成ARM Cortex-M3硬核控制器和高性能FPGA，ARM核最大时钟300MHz，逻辑性能最大200MHz，硬核形式整合以太网、USB、CAN、DMA控制器以及DDR控制器等外设，能够满足不同应用场合的“可定制可重构可编程”设计需求，实现了FPGA的SoC化。

　　HME-P系列

　　TSMC 40nm CMOS工艺，全新的LUT6结构，6.5Gbps Serdes高速I/O，1333M bps硬核DDR2/3控制和PHY，高速AXI、PCIe、DDR2/3硬核IP，面向需要高速率高性能大容量的FPGA市场。

　　HME-H系列

　　集成高性能FPGA、增强型MCU和MIPI接口的智能型视频桥接器件，增强型8051 MCU，内嵌DSP单元，主要面向视频处理领域，可广泛应用于手机、平板、可穿戴、VR、AR、无人机和智能家居等市场。

　　FX-伏羲软件是京微齐力自主研发的一款EDA软件，可以进行FPGA和SoC应用设计，还可以支持其他常用的第三方设计工具进行协同设计。友好的图形化用户界面，丰富的IP，支持命令行操作，支持远程下载编程，比特率加密，片上调试等等。

　　7、遨格芯

　　遨格芯从编译软件切入生态链，为一家中低端、低密度FPGA的芯片提供商。该公司由来自美国硅谷知名可编程逻辑芯片企业的团队和国内资深工程团队创办，以开发自主产权的编译软件开始，兼容切入现有FPGA软件的生态链。在成立最初两年，没有背景的AGM团队挤在上海张江集电港的一个共创空间里，默默地打磨产品、给客户试用。在看到智能手机风口后，AGM推出一款用于智能手机及物联网的FPGA芯片，并通过了三星公司严格的供应商测试认证，成为三星Galaxy手机除莱迪思之外唯一备选的FPGA器件，实现了国内FPGA公司出口零的突破。经过近几年的产品迭代及市场扩展，AGM逐渐积累起较稳定的客户，并形成面向CPLD、FPGA、FPGA+CPU、SoC等方向的多个产品线，产品覆盖消费电子、工业、通信、AI计算等市场，成为国内FPGA领域表现亮眼的一匹“黑马”。

　　8、亿海微

　　目前中科亿海微研制的FPGA芯片产品，国内自主研制的基于国产40nm工艺的亿海神针®系列可编程逻辑芯片已基本实现了产品型谱化，产品封装方式更多样，可兼容替代国外知名可编程逻辑芯片厂家S6系列同等资源及以下产品，可替换国外知名可编程逻辑芯片厂家IV系列产品和CPLD器件，产品类别包括可编程逻辑芯片和裸Die。公司已建立了较全面的国产生态环境，已成功适配国产多种元器件，可为用户提供全国产化板卡解决方案和SiP微系统集成设计服务。

　　亿海神针®系列产品基础参数：

　　注：标*为在研产品

　　5️⃣总结

　　综上所述，无论是具有不断迭代新增需求的民用市场，还是出于国家安全考量，只要是有极大自主可控需求的特种市场，FPGA都有较好的国产替代前景，国内FPGA厂商成长空间广阔。

　　而随着我国集成电路设计产业在FPGA领域不断加大研发投入和人才培养力度，未来国产FPGA企业将有望缩小与国际先进水平的差距，并在行业整体规模上升与进口替代加速的双轮驱动下，实现业绩和规模的进一步增长。