1.3.2　FPGA的发展趋势

自1985年Xilinx公司推出第一片FPGA至今，已经历了30多年的历史。在这30多年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展。FPGA从最初的1200个可利用门，发展到90年代的25万个可利用门。21世纪之初，FPGA的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万可利用门的单片FPGA，将集成度提高到一个新的水平。FPGA技术正处于高速发展时期，新型芯片的规模越来越大，成本也越来越低，低端的FPGA已逐步取代了传统的数字元器件，高端的FPGA在不断争夺专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）的市场份额。特别是随着ARM、FPGA、DSP技术的相互融合，在FPGA中集成专用的ARM及DSP核的方式已将FPGA的应用推到了一个前所未有的高度。

纵观FPGA的发展历史，之所以具有巨大的市场吸引力，其根本在于FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC、DSP等的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。

目前，FPGA的主要发展动向是：随着FPGA的发展，系统设计进入片上可编程系统（System-On-a-Programmable-Chip，SOPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低电压、低功耗方向前进；各大公司都在积极扩充其IP核库，以便更好地满足用户的需求，扩大市场份额；特别引人注目的是FPGA与ARM、DSP等的相互融合，推动了多种芯片的融合式发展，从而极大地扩展了FPGA的性能和应用范围。

1.大容量、低电压、低功耗FPGA

大容量FPGA是市场发展的焦点。FPGA产业中的两大生产商—Altera和Xilinx在超大容量FPGA上展开了激烈的竞争。2011年，Altera公司率先推出了包括三大系列的28 nm的FPGA—Stratix-V、Arria-V与Cyclone-V。Xilinx公司随即也推出了自己的28 nm FPGA芯片，也包括三大系列—Artix-7、Kintex-7、Virtex-7。其中Xilinx公司已向客户推出世界最大容量FPGA—Virtex-7000T。这款包含68亿个晶体管的FPGA具有1954560个逻辑单元。这是Xilinx公司采用台积电（TSMC）28 nm的HPL工艺推出的第三款FPGA，也是世界上第一个采用堆叠硅片互联（SSI）技术的商用FPGA。目前，Xilinx公司推出了20 nm的All Programmable产品系列，可满足下一代更加智能、更高集成度、更高带宽需求的系统。

采用深亚微米（DSM）的半导体工艺后，FPGA在提高性能的同时，其价格也在逐步降低。由于便携式应用产品的发展，对FPGA的低电压、低功耗的要求日益迫切，因此，无论哪个厂家、哪种类型的产品，都在朝着这个方向而努力。

2.系统级高密度FPGA

随着生产规模的提高，以及产品应用成本的下降，FPGA的局限已不再仅仅应用于系统接口部件的现场集成，而是更加灵活地应用于系统级（包括其核心功能芯片）设计之中。在这样的背景下，国际主要FPGA厂商在系统级高密度FPGA的技术发展上，主要强调了两个方面：FPGA的IP（Intellectual Property，知识产权）硬核和IP软核。当前具有IP核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面：一方面是FPGA厂商将IP硬核（指完成版图设计的功能单元模块）嵌入FPGA中；另一方面是大力扩充优化的IP软核（指利用HDL设计并经过综合验证的功能单元模块），用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的IP核，有效地完成复杂的片上系统设计。

3.硅片融合的趋势

2011年以后，整个半导体业界芯片融合的趋势越来越鲜明。例如，以DSP见长的德州仪器（Texas Instruments，TI）、美国模拟器件公司（Analog Device Inc.，ADI）相继推出将DSP与MCU（Micro Control Unit，微控制单元）集成在一起的芯片平台，以MCU为主的厂商也推出了在MCU上集成DSP核的方案。在FPGA业界，这个趋势更加明显，除了DSP早已集成在FPGA芯片上，FPGA厂商开始积极与处理器（核）厂商合作推出集成了FPGA的处理器平台产品。

这种融合趋势出现的根本原因是什么呢？这还要从CPU、DSP、FPGA和ASIC各自的优缺点说起。CPU和DSP的软件可编程、灵活性高，但功耗较高；FPGA具有硬件可编程的特点，非常灵活、功耗较低；ASIC是针对特定应用固化的，不可编程、不灵活，但功耗很低。这就产生了灵活性和功耗的矛盾。随着电子产品推陈出新的速度不断加快，对产品设计的灵活性和功耗要求也越来越高，怎样才能兼顾灵活性和功耗，这是一个巨大的挑战。半导体业内最终共同认可了一点—芯片融合。将不同特点的芯片集成在一起，让平台具备它们的优点，避免它们的缺点。因此，微处理器+DSP+专用IP核+可编程架构成为芯片融合的主要架构。

在芯片融合的方向上，FPGA具有天然的优势。这是因为FPGA本身架构非常清晰，其生态系统经过多年的发展，非常完善，软硬件和第三方合作伙伴都非常成熟。此外，因其自身在发展过程中已经进行了很多CPU、DSP和许多IP核的集成，因此，在与其他器件进行融合时，具有成熟的环境和丰富的经验。Altera公司已经和业内多个CPU厂商展开了合作，如MIPS、Freescale、ARM和Intel等，推出了混合系统架构的产品。Xilinx公司和ARM联合发布了基于28 nm工艺的全新的可扩展式处理平台（Extensible Processing Platform）架构。这款基于双核ARM Cortex-A9 MPCore的平台可以让开发人员同时拥有串行和并行处理能力，它可为各种嵌入式系统的开发提供强大的系统性能、灵活性和集成度。