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产品名称:FPGA实验室建设方案——建设背景
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■FPGA的现状
根据统计以及预测,在2013年全球FPGA的市场规模在45.63亿美元,至2018年全球FPGA的市场规模缓步增长至63.35亿美元。但随着目前5G时代的进展以及AI的推进速度,预计FPGA在2025年有望达到约125.21亿美元。对于全球FPGA的市场分布而言,FPGA的下游应用地区分布而言,目前最大的为亚太地区,其占比39.15%,北美占比33.94%,欧洲占比19.42%,而至2025年,亚太地区的占比将会继续的提高至43.94%,此间原因也主要因为下游应用市场在未来的主要增长大部分集中在亚太地区。按照FPGA下游应用来分拆FPGA的市场规模的话,可以看到对于2018年而言,通讯领域所用FPGA占据约40%,消费电子占据23%,为最大的应用下游;根据预测至2025年时最大的应用领域将是汽车,占比29%,而数据中心以及工业的占比也将直线上升至13%和19%(数据来源于中国产业信息网)。

■FPGA应用领域:

1)通信领域:
FPGA在通信领域的应用,无所不能。FPGA内部结构的特点,可以轻松实现分布式的算法结构,对于实现无线通信中的高速数字信号处理十分有利。在无线通信系统中大量的滤波运算,需要大量的乘和累加操作。通过FPGA来实现分布式的算术结构,就可以有效地实现这些乘和累加操作。
2)数字信号处理领域:
FPGA在数字信号处理领域,所向披靡。主要是因为它的高速并行处理能力。FPGA最大优势是其并行处理机制,即利用并行架构实现数字信号处理的功能。这一并行机制使得FPGA特别适合于完成FIR等数字滤波这类重复性的数字信号处理任务。对于高速并行的数字信号处理任务来说,FPGA性能远远超过通用DSP处理器的串行执行架构。FPGA接口的电压和驱动能力都是可编程配置的,不像传统的DSP需要受指令集控制。因为指令集的时钟周期的限制,不能处理太高速的信号,对于速率级为Gbps的LVDS之类信号就难以涉及。所以在数字信号处理领域FPGA的应用也是十分广泛的。
3)视频图像处理领域:
随着时代的变换,人们对图像的稳定性、清晰度、亮度和颜色的追求越来越高,像以前的标清(SD)慢慢演变成高清(HD),到现在的蓝光品质的图像。这使得处理芯片需要实时处理的数据量越来越大,并且图像的压缩算法也越来越复杂。使得单纯的使用ASSP或者DSP,已经满足不了如此大的数据处理量了。这时FPGA的优势就凸显出来了,它可以更加高效的处理数据,所以在图像处理领域在综合考虑成本后,FPGA也越来越受到市场的欢迎。
4)高速接口设计领域:
由于FPGA在通信领域和数字信号处理领域的优异表现,那么,在高速接口设计领域,FPGA必然也是有一席之地的。它的高速处理能力和多达成百上千个的IO,决定了它在高速接口设计领域的独特优势。比如说用户需要和PC端做数据交互,将采集到的数据传送给PC机处理,或者将处理后的结果传送给PC机进行显示。PC机与外部系统通信的接口比较丰富,如ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB等。传统的做法是对应的接口使用对应的接口芯片,例如PCI接口芯片,当需要很多接口时,就需要多个这样的接口芯片,这无疑会使用户的硬件外设变得复杂,体积变得庞大。但是如果使用FPGA,优势立马就出来了。因为不同的接口逻辑都可以在FPGA内部去实现,完全不需要使用那么多的接口芯片。在配合DDR存储器的使用,将使我们接口数据的处理变得更加得心应手。
5)人工智能领域:
近年,5G通信和人工智能备受关注。FPGA在人工智能系统的前端部分也得到了广泛的应用:自动驾驶,需要对行驶路线、红绿灯、路障和行驶速度等各种交通信号进行采集,需要用到多种传感器,对这些传感器进行综合驱动和融合处理就可以使用FPGA。智能机器人,需要对图像进行采集和处理,或者对声音信号进行处理都可以使用FPGA去完成,所以FPGA在人工智能系统的前端信息处理上使用起来得心应手。
6)IC验证领域:
众所周知,IC设计门槛确实比较高,简单的可以用PCB设计来类比,PCB是采用各种元器件在线路板上搭建一个特定功能的电路组合,而IC设计是采用各种MOS管、PN节在硅基衬底上去搭建一个特定功能的电路组合。PCB如果设计失败,只需要重新设计再打样,不会造成太大损失。但是,如果IC设计失败再重新设计,那损失将会很惨重。在IC领域,光刻机造价昂贵,光刻胶、光刻板开模都不便宜,加上其他多达几百上千道工序,其中人力、物力、机器损耗、机器保养……所以IC制造前,需要进行充分的仿真测试和FPGA验证,仿真验证是通过仿真软件进行测试,类似ModelSim/VCS软件;FPGA验证主要是把IC的代码移植到FPGA上,使用FPGA综合工具进行综合、布局布线到最终生成bit文件,然后下载到FPGA验证板上面进行验证,对于复杂的IC还可以拆成几个部分功能去分别验证,每个功能模块放在一个FPGA上,FPGA生成的电路非常接近真实的IC芯片。这样极大的方便IC设计人员去验证自己的IC设计。

■FPGA的生产厂商
Xilinx(赛灵思):它是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商。Xilinx研发、制造并销售范围广泛的高级集成电路、软件设计工具以及作为预定义系统级功能的IP(Intellectual Property)核。客户使用Xilinx及其合作伙伴的自动化软件工具和IP核对器件进行编程,从而完成特定的逻辑操作。Xilinx公司成立于 1984年,Xilinx首创了现场可编程逻辑阵列(FPGA)这一创新性的技术,并于1985年首次推出商业化产品。眼下Xilinx满足了全世界对 FPGA产品一半以上的需求。Xilinx产品线还包括复杂可编程逻辑器件(CPLD)。在某些控制应用方面CPLD通常比FPGA速度快,但其提供的逻辑资源较少。Xilinx可编程逻辑解决方案缩短了电子设备制造商开发产品的时间并加快了产品面市的速度,从而减小了制造商的风险。与采用传统方法如固定逻辑门阵列相比,利用Xilinx可编程器件,客户可以更快地设计和验证他们的电路。由于Xilinx器件是只需要进行编程的标准部件,客户不需要像采用固定逻辑芯片时那样等待样品或者付出巨额成本。Xilinx产品已经被广泛应用于从无线电话基站到DVD播放机的数字电子应用技术中。
传统的半导体公司只有几百个客户,而Xilinx在全世界有7500多家客户及50000多个设计开端。其客户包括Alcatel、Cisco Systems、EMC、Ericsson、Fujitsu、Hewlett-Packard、IBM、Lucent Technologies、Motorola、NEC、Nokia、Nortel、Samsung、Siemens、Sony、Oracle以及Toshiba。目前Xilinx比较火的具有代表性的FPGA芯片有Spartan7系列、Artix7系列、Kintex7系列、Virtex7系列以及Zynq系列,其中Zynq系列内嵌了ARM核,可以实现嵌入式和FPGA的联合开发(想了解更多关于Zynq系列的内容可以参考正点原子领航者开发板资料),Spartan6系列、Artix7系列可以参考超越者和达芬奇开发板的资料。

Altera(阿尔特拉):
它秉承了创新的传统,是世界上“可编程芯片系统”(SOPC)解决方案倡导者。Altera结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权(IP)和技术服务,在世界范围内为14000多个客户提供高质量的可编程解决方案。我们新产品系列将可编程逻辑的内在优势、灵活性、产品及时面市和更高级性能以及集成化结合在一起,专为满足当今大范围的系统需求而开发设计。在2015年,英特尔宣布以167亿美元收购FPGA厂商Altera,这是英特尔公司历史上规模最大的一笔收购。随着收购完成,Altera将成为英特尔旗下可编程解决方案事业部。Altera使用最广泛的是Cyclone系列FPGA芯片,我个人觉得它用的比较多的是Cyclone IV和Cyclone V系列的FPGA芯片,其中大家需要注意一下Cyclone V,因为该系列包括6种型号,有只含逻辑的E型号、3.125-Gbps收发器GX型号、5-Gbps收发器GT型号,还有集成了基于双核ARM®的硬核处理器系统(HPS)的SE、SX、STSoC型号。除了Cyclone系列,Altera公司还有Agilex系列Stratix系列、Arria系列、Max系列:

Agilex系列:
首款采用10纳米工艺和第二代英特尔 Hyperflex FPGA 架构,可将性能提升多达40%,将数据中心、网络和边缘计算应用的功耗降低40%。英特尔Agilex SoC FPGA还集成了四核Arm Cortex-A53处理器,可提供高集成系统级水平的开发,该系列属于超高性能的SoC芯片,一般用于高端市场。

Stratix系列:
这个系列也是属于高端高性能产品,拥有高密度、高性能和丰富的IO特性,可最大程度地提高系统带宽,实现多种多样的功能设计。主要应用于Open CL高性能计算、高速数据采集、高速串行通讯高频交互等领域。

Arria系列:
这个系列定位为中端产品,它兼顾性能和成本,是一款性价比非常高的FPGA芯片,它内存资源丰富,信号处理能力和数据运算性能相对来说都还不错,并且收发器速度高达 25.78Gbps,支持用户集成更多功能并最大限度地提高系统带宽。此外,Arria V 和英特尔 Arria 设备家族的 SoC 产品可提供基于 ARM 的硬核处理器系统(HPS),从而进一步提高集成度和节省更多成本。

Max系列:
这个系列是比较低端的,准确的说这个系列是CPLD产品,主要是应对成本敏感性的设计应用,虽然低端但是它功能也还是可圈可点的,它提供支持模数转换器 (ADC) 的瞬时接通双配置,和特性齐全的 FPGA 功能,尤其对各种成本敏感性的大容量应用进行了优化,要注意的是除了MAX 10以外,该系列的其他产品都是CPLD。

国有FPGA:
我国的FPGA厂商主要有紫光同创、京微雅格、高云半导体、上海安路、西安智多晶等,但是同国外领先厂商相比,国产FPGA厂商不论从产品性能、功耗、功能上都有较大差距。
教育部2021年工作要点中提到加大“双创”支持力度,继续举办中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛等丰富多彩的创新创业实践活。“双创”对于肩负培养新型创新人才重任的高等理工科院校尤为重要。由于受传统文化教育观念的影响,现有的教学体系存在着明显的缺陷,表现在:学生基本理论、基本知识和基本技能存在一定不足,综合实践能力较差,创新意识和创新能力不强。高等院校应当巩固基础教学、改善教学体系,加强实验室建设,积极努力改变这种现状。从已获广泛深入的eda/sopc技术着手,利用平台的灵活性引导学生强化创新意识、培育创业精神、训练创造能力,形成推动创新创业的良好氛围。

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