1.1　FPGA的发展趋势

自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA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20世纪90年代的25万个可利用门。在21世纪之初，著名的FPGA厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA，将FPGA的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不断在争夺专用集成电路（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核与DSP核的方式已将FPGA技术的应用推到了一个前所未有的高度。

纵观FPGA的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，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和DSP的市场，特别是对于小批量、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：随着大规模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、低功耗方向发展；国际各大公司都在积极扩充其IP核库，以便优化资源，更好地满足用户的需求，扩大市场；特别引人注目的是FPGA与ARM、DSP等技术的相互融合，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产业中的两大霸主——Altera公司和Xilinx公司在超大容量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 FPGA系列芯片——Stratix V、Arria V与Cyclone V系列芯片。Xilinx公司随即也推出了自己的28 nm FPGA，也包括三大系列芯片——Artix-7、Kintex-7与Virtex-7。其中Xilinx公司向客户推出了当时世界上最大容量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公司宣称已打造出16 nm的All Programmable产品系列，专门用于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在性能提高的同时，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FPGA，都在朝这个方向努力。

2. 系统级高密度FPGA

随着生产规模的提高，产品应用成本的下降，FPGA的应用已经不再是仅适用于系统接口部件的现场集成，而是灵活地应用于系统级设计中（包括其核心功能芯片）。在这样的背景下，国际主要的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的硬IP核和软IP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厂商将硬IP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软IP核（指利用HDL设计并经过综合验证的功能单元模块），用户可以直接使用这些预定义的、经过测试和验证的IP核资源，从而有效地完成复杂片上系统的设计。

3. 硅片融合的趋势

2011年以后，芯片融合的趋势越来越明显。例如，以DSP见长的TI公司和ADI公司相继推出了将DSP核与MCU核（Micro Control Unit，微控制单元）集成在一起的芯片；而以生产MCU为主的厂商也推出了在MCU上集成DSP核的芯片。在FPGA业界，这个趋势更加明显，除了DSP核和MCU核早已集成在FPGA上，FPGA厂商开始积极与MCU厂商合作推出集成了FPGA的处理器平台。

这种融合趋势出现的根本原因是什么呢？这还要从MCU、DSP、FPGA和ASIC各自的优缺点说起。通用MCU和DSP是软件可编程的，灵活性强，但功耗较高；FPGA具有硬件可编程的特点，灵活性强，功耗较低；ASIC是针对特定应用的，不可编程、不灵活，但功耗很低。这就产生了一个矛盾，即灵活性和功耗之间的矛盾。随着电子产品推陈出新速度的不断加快，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效是一个巨大的挑战。半导体业内最终共同认可了一点——芯片的融合，即把不同优点的芯片集成在一起，让集成后的芯片具备每种芯片的优点、避免它们的缺点。因此，“MCU+DSP+专用IP核+可编程”成为芯片融合的主要架构。

Altera公司的资深副总裁、首席技术官Misha Burich指出，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培育发展，非常完善，软硬件和第三方合作伙伴都非常成熟。此外，由于FPGA在发展过程中已经进行了很多MCU核、DSP核和硬IP核的集成，因此在与其他芯片进行融合时，FPGA具有成熟的环境和丰富的经验。Altera公司已经和业内多个MCU厂商展开了合作，如MIPS、Freescale、ARM和Intel等公司，推出了混合系统架构的产品。Xilinx公司和ARM公司联合发布了基于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）的处理器同时具有串行和并行的处理能力，可为各种嵌入式系统的开发人员提供强大的系统性能、灵活性和集成度。