第1章 FPGA技术分析

1.1 芯片架构的演变

FPGA，英文全称是Field Programmable Gate Array，中文意思是现场可编程门阵列，是在PAL（Programmable Array Logic，可编程阵列逻辑）、GAL（Generic Array Logic，通用阵列逻辑）、CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）领域中的一种半定制电路，FPGA既弥补了全定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数目有限的缺点。

FPGA的两个主要特征就体现在其名称中，即“现场”和“可编程”。“现场”意味着工程师只需要一台计算机，安装了FPGA厂商提供的开发软件，外加焊接了FPGA芯片的板卡，即可完成从模型搭建到生成烧写文件的全过程；“可编程”意味着工程师可以根据设计需求，通过编程方式把FPGA内部逻辑块连接起来，这就好比把一个电路试验板放在了一颗芯片里。一个出厂后的成品FPGA内部的逻辑块和连接可以按照工程师的需要而改变，所以FPGA可以完成特定的逻辑功能。更重要的是这种编程是可以反复操作的，即编程、除错、再编程。正因为如此，FPGA也被称为“液体硬件”。

一般情况下，FPGA比ASIC的速度要慢，实现同样的功能FPGA需要的面积更大，功耗也更高。但相比于ASIC，FPGA的优势也很明显：①快速成品——这有助于缩短产品上市时间；②反复编程——这使得工程师可以根据设计需求修改电路功能，同时也有助于除错；③较低的调试成本——厂商开发工具如Vivado，下载器如Xilinx Platform Cable Usb，外加FPGA板卡即可进行调试。

FPGA芯片起源于Xilinx（赛灵思）公司。1985年，首款FPGA即赛灵思XC2064，采用双列直插式封装，也称为DIP封装（Dual In-line Package），如图1-1所示，只包含64个可配置逻辑模块，每个模块含有两个3输入查找表（LUT：Look-Up Table，后文介绍时“查找表”和“LUT”会交替使用）和一个触发器（FF：Flip-Flop，后文介绍时“触发器”和“FF”会交替使用）。按照现在的方式计算，该器件有64个逻辑单元——不足1000个逻辑门。这也构成了早期FPGA的基本架构：可配置逻辑模块（CLB：Configurable Logic Block）、开关矩阵（Switch Matrix，也称为Switch Box）、互连线（Interconnect Wires）和输入/输出引脚，如图1-2所示。较为简单的结构决定了其主要扮演胶合逻辑的角色。

在摩尔定律的推动下，Xilinx在2001年推出了基于150nm工艺制程的Virtex-II FPGA，最大亮点是嵌入了硬核的18×18的有符号数乘法器和18Kb的Block RAM（简写为BRAM），如图1-3所示（图中未包含布线资源和输入/输出引脚）。其中XC2V8000中包含168个乘法器和168个Block RAM，这大大提升了FPGA的计算能力。

时隔一年，也就是2002年，Xilinx推出了基于130nm工艺制程的Virtex-II Pro FPGA，在Virtex-II的基础上嵌入了硬核PowerPC 405处理器（简写为PPC405），这是当时IBM公司的RISC CPU（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集中央处理器），主频最高可达400MHz。同时，在接口方面，Virtex-II Pro集成了硬核高速收发器，传输速率最高可达6.25Gb/s，如图1-4所示。其中XC2VP70所包含的高速收发器个数达到了20个。

2004年，Xilinx推出了基于90nm工艺制程的Virtex-4 FPGA。采用了基于列的ASMBL（Advanced Silicon Modular Block）架构，如图1-5所示，极大地提升了FPGA的可编程能力，使得其成为ASIC的强有力的替代者。FPGA也由胶合逻辑的角色变为平台级产品。通过不同列（CLB列、DSP列、BRAM列、GT列等）的组合，Virtex-4 FPGA形成了三个平台级家族：LX、FX和SX，给用户提供了多种选择以应对不同的应用场景。其中，LX面向高性能逻辑应用，CLB列会更多一些，XC4VLX200中的逻辑单元（Logic Cell，1个Logic Cell等于1个4输入LUT+1个触发器+1个进位链）达到了200 448个；SX面向高性能数字信号处理，DSP列会更多一些，XC4VSX55中的乘加器多达512个；FX面向嵌入式应用，增加了GT列，内部嵌入了硬核PowerPC处理器PPC405，主频可达450MHz。和Virtex-II Pro相比，Virtex-4 FPGA扩展了乘法器的功能，将乘法器变为包含48位累加器的乘加器，这可以看作第一代DSP48。DSP48在数字信号处理应用中扮演着重要的角色，例如，在高性能FIR（Finite Impulse Response）滤波器和FFT（Fast Fourier Transform）中，DSP48是重要的计算单元。此外，从功耗角度看，Virtex-4的核电压也由Virtex-II和Virtex-II Pro的1.5V降低至1.2V，这对于降低动态功耗是有益的，因为动态功耗与核电压的平方成正比。

2006年，Xilinx推出了基于65nm工艺制程的Virtex-5 FPGA。依托于第二代ASMBL架构，Virtex-5形成了五个平台级家族系列以满足不同领域的需求，如表1-1所示。实践证明，Virtex-5是非常成功的一代产品。

与Virtex-4相比，Virtex-5 SLICE的容量扩大，由2个LUT和2个触发器变为4个LUT和4个触发器。更重要的是Virtex-5中的LUT是6输入LUT，相比于Virtex-4中的4输入LUT更有优势。例如，实现一个8选1的多路复用器（MUX：Multiplexer），如果使用Virtex-4 FPGA，就需要消耗4个4输入LUT和3个2选1 MUX（SLICE里固有的）；如果使用Virtex-5 FPGA，则只需消耗2个6输入LUT和1个2选1 MUX（SLICE里固有的），如图1-6所示。显然，后者逻辑延迟会更小。分别选用Virtex-4和Virtex-5最快的FPGA（对应速度等级分别为-12和-3），在ISE 8.1版本下，实现一个6输入布尔表达式，Virtex-4 FPGA逻辑延迟为1.1ns，而Virtex-5 FPGA为0.9ns。从分布式RAM角度看，实现一个64×1（深度为64，宽度为1）的RAM，Virtex-4与Virtex-5的实现方式如图1-7所示，显然Virtex-5的实现方式具有更小的延迟。

Virtex-5中的Block RAM也有所改进。Virtex-4的每个Block RAM大小为18Kb，而Virtex-5的每个Block RAM大小为36Kb，由两个独立的18Kb Block RAM构成。这对于搭建更大的存储空间非常有利。同时，对于每个独立的18Kb Block RAM，如果只使用了其中的9Kb或不到9Kb，剩余的9Kb会被自动关闭，从而可有效降低功耗。

相比于Virtex-4，Virtex-5中的乘加器DSP48E功能更强大。不仅乘法器的位宽由18×18提升为25×18，而且每个DSP48E的C端口是独立的（Virtex-4中同列相邻的两个DSP48共享C端口），这增强了DSP48E的灵活性，也简化了数字信号处理算法的实现。此外，不得不提的是DSP48E中的累加器还可用来实现按位逻辑运算，如逻辑与、逻辑或、逻辑异或、逻辑非等。确切地说，DSP48E中乘法器后面跟随的是算术逻辑运算单元ALU （Arithmetic Logic Unit）：既可以实现加法运算，又可以实现逻辑运算。

在时钟方面，Virtex-5在保留Virtex-4数字时钟管理单元（Digital Clock Manager，DCM）的基础上，引入了模拟锁相环PLL（Phased Lock Loop），这对于改善时钟抖动非常有利。

此外，Virtex-5 FXT系列嵌入了PowerPC 440（简写为PPC440）处理器，主频最高可达550MHz，性能比Virtex-4中的PPC405有了进一步的提升。

2009年，Xilinx推出了基于40nm工艺制程的Virtex-6 FPGA和45nm工艺制程的Spartan-6 FPGA。Virtex-6采用了第三代ASMBL架构，通过不同资源列的配比，形成了三个系列：面向高性能逻辑应用和数据传输的LXT系列，面向高速数字信号处理和数据传输的SXT系列和面向高带宽应用的HXT系列。与Virtex-5相比，所有的Virtex-6 FPGA都带有高速收发器，同时Virtex-6不再提供嵌入PowerPC处理器的FPGA。Spartan-6属于Xilinx的低端产品，与Virtex-6相比性能略逊一筹。例如，Spartan-6中的乘加器DSP48A1乘法器位宽为18×18，且其后的累加器不支持逻辑运算，而Virtex-6中的乘加器DSP48E1乘法器位宽为25×18，其后为ALU。Spartan-6中的Block RAM大小为18Kb，可当作两个独立的9Kb Block RAM使用。Virtex-6中的Block RAM大小为36Kb，由两个独立的18Kb Block RAM构成。Spartan-6中的时钟模块由DCM和PLL构成，而Virtex-6中的时钟模块则为MMCM（Mixed-Mode Clock Managers）。但是，Spartan-6也有自己的特色，例如，封装小，CPG196封装只有8mm×8mm，而Virtex-6最小封装也要达到23mm×23mm。此外，Spartan-6还集成了硬核存储器控制器模块MCB（Memory Controller Blocks）。从输入/输出引脚角度看，Spartan-6引脚个数依据不同芯片和封装在102～576之间变化，输出电平最大为3.3V；Virtex-6引脚个数则在240～1200之间变化，输出电平最大为2.5V。

2011年，Xilinx推出了基于28nm高性能低功耗（High Performance Low Power，HPL）工艺制程的7系列FPGA，分为高端、中端和低端三个产品，对应Virtex-7、Kintex-7和Artix-7。其中，Virtex-7面向对系统性能要求比较苛刻的场合；Kintex-7可提供业界最佳的价格/性能比；Artix-7面向低功耗且需要高速收发器的场合。2017年，Xilinx又发布了Spartan-7，具有封装小（CPGA196封装只有8mm×8mm）、性能功耗比高的特点。不同于Virtex-6和Spartan-6，7系列FPGA采用了统一的内部架构。图1-8对7系列FPGA从逻辑单元个数、Block RAM容量、DSP个数、高速收发器个数、高速收发器速率和外部存储器速率等几个方面进行了比较（这里显示的均为最大值），可进一步理解其中的差异及各个产品的应用场合。

7系列FPGA还首次使用了SSI（Stacked Silicon Interconnect，堆叠硅片互连）技术，包括XC7V2000T、XC7VX1140T、XC7VH580T和XC7VH870T 4颗芯片。SSI技术有效解决了采用传统方式互连多片FPGA时导致的互连资源有限（如输入/输出引脚个数不够用）、互连延迟过大、高速串行互连的信号完整性等问题。以XC7V2000T为例，整个芯片包含4个SLR（Super Logic Region，又称为die），这4个SLR并行放置在一个硅中介板上，如图1-9所示。再看4个SLR的内部布局，如图1-10所示。可以看到4个SLR的大小和内部结构是完全相同的。图中GTX代表的高速收发器最大速率为12.5Gb/s。每个SLR由3个CR（Clock Region，时钟区域）构成。每个CR的高度为50个CLB，也可表示为20个DSP或10个36Kb Block RAM，如图1-11所示。

SLR之间通过SLL（Super Long Line）互连，实现die间的数据传输。紧邻每个CLB会有一个互连单元（Interconnect Tile），SLL的起点和终点正是这些位于相邻SLR的不同互连单元。每个互连单元列可提供49个SLL（见图1-12），不同芯片互连单元列个数有所不同，故7系列SSI器件相邻SLR总的SLL个数为10 800或13 700，从而保证了die间的高带宽数据传输。

XC7VX1140T内部结构如图1-13所示，由4个SLR构成，有更多的高速收发器（图中GTH代表的高速收发器最高速率可达13.1Gb/s，共96个）。

面向高带宽数据传输的XC7VH870T则由6个SLR构成，如图1-14所示，其中顶部和底部的SLR仅包含GTZ（高速收发器，共16个，最大速率可达28.05Gb/s），因此，这是一颗异构SLR构成的芯片。

在推出传统FPGA的同时，2011年，Xilinx也发布了集成ARM Cortex-A9 CPU的Zynq-7000系列SoC（System on Chip）。将FPGA分割为PS（Processing System）和PL（Programmable Logic）两部分，实现了全可编程：软件可编程、硬件可编程和I/O可编程。其中，PS包含一个或两个ARM Cortex-A9核，以及丰富的硬核接口，CPU主频最高达1GHz；PL为传统的逻辑资源，如CLB、Block RAM、DSP和GT等，如图1-15所示。图中灰色区域即为PL。Zynq-7000因其异构特性在Xilinx FPGA发展史上留下了浓墨重彩的一笔。

2014年，Xilinx推出了基于20nm工艺制程的UltraScale FPGA，包括Kintex和Virtex两个系列。与Kintex相比，Virtex无论在规模还是性能上都更胜一筹。时隔两年，也就是2016年，Xilinx又推出了UltraScale+FPGA，采用16nm工艺制程，包括Artix（2021年推出）、Kintex、Virtex、Zynq MPSoC（Multiprocessor System on Chip）和Zynq RFSoC （Radio Frequency System on Chip）。这一系列FPGA的比较如表1-2所示（表中US代表UltraScale，US+代表UltraScale+）。可以看到UltraScale+FPGA引入了新的存储单元UltraRAM，每个UltraRAM大小为288Kb（深度为4096，也就是4K，宽度为72），这对于大批量的数据存储非常有用。

Vritex UltraScale+还引入了HBM（High Bandwidth Memory），有效地增大了数据存储空间及数据传输带宽，其内部布局如图1-16所示。仍然采用了SSI技术，HBM位于单独的一个SLR上。在与其紧邻的SLR内，集成了硬核的HBM控制器。UltraScale+HBM系列FPGA内HBM的容量对比如图1-17所示，可以看到，HBM最小为4GB（也就是32Gb），最大为16GB（也就是128Gb）。在执行机器学习算法时，通常需要存储大量的权值，而且为了保证足够的并行性需要同时从存储空间读出多个数据，传统的Block RAM和UltraRAM很难满足这一需求，而HBM正好解决了这一问题。

这里不得不提一下Xilinx第二代SSI芯片。Kintex UltraScale只有KU085和KU115为SSI芯片，均包含2个SLR。Virtex UltraScale有4颗芯片为SSI芯片，分别为VU125 （2个SLR）、VU160（3个SLR）、VU190（3个SLR）和VU440（3个SLR），而Virtex UltraScale+绝大多数为SSI芯片。与第一代SSI芯片相比，第二代SSI芯片不仅有专用跨die布线资源SLL，还有专用跨die寄存器，也就是LAGUNA寄存器，如图1-18所示。在相邻两个die的边界，每个时钟区域内有两列LAGUNA寄存器，SLL的起点和终点位于同列不同die的LAGUNA寄存器上。每两列LAGUNA寄存器也就是die边界的每个时钟区域可提供2880个SLL，图中每个SLR位于边界的时钟区域共有6个，故可提供17280个SLL。

作为第二代嵌入了ARM核的FPGA，Zynq UltraScale+MPSoC性能进一步提升，共3个系列：CG、EG和EV。ARM核由Cortex-A9升级为Cortex-A53，双核（CG）或四核（EG和EV），扮演着APU（Application Processing Unit，应用处理单元）的角色，主频可达1.5GHz。同时，嵌入了RPU（Real-time Processing Unit，实时处理单元），双核Cortex-R5F，主频最高为600MHz。EG和EV系列还嵌入了GPU（Graphics Processing Unit，图形处理单元）Mali-400MP2，主频最高为667MHz。在此基础上，EV系列增强了视频处理功能，嵌入了硬核视频编解码处理单元VCU（Video Encoder/Decoder），可支持H.264/H.265，如表1-3所示。以EV系列为例，其内部布局如图1-19所示，图中阴影部分为PL。

在Zynq MPSoC的基础上，Xilinx还将射频模数/数模转换器（Radio Frequency Analog-to-Digital Converter/Digital-to-Analog Converter，RF-ADC/DAC）和软判决前向纠错（Soft Decision Forward Error Correction）集成其中，形成了Zynq RFSoC FPGA，是业界唯一的单芯片自适应射频平台，其内部布局如图1-20所示。图中阴影部分为PL。DDC为数字下变频器（Digital Down Converter），DUC为数字上变频器（Digital Up Converter）。ADC的分辨率为12位（如XCZU25DR）或14位（如XCZU42DR），最多可达16位（如XCZU29DR）；采样速率最高可达4.096GSPS（Gigabit Samples Per Second，每秒千兆次采样），如XCZU25DR。DAC分辨率为14位，最多可达16位，如XCZU29DR，采样速率最高可达9.85GSPS。SD-FEC仅存在于XCZU21DR、XCZU28DR、ZCZU46DR和XCZU48DR中，共8个。

2019年，Xilinx推出了基于7nm工艺制程的Versal芯片，将其定义为ACAP（Adaptive Computing Acceleration Platform，自适应计算加速平台），而不再是FPGA。ACAP包含三大引擎：标量引擎、自适应引擎和智能引擎。通过可编程片上网络（Network on Chip，NoC）将三者连接在一起，如图1-21所示。其中，标量引擎由双核ARM Cortex-A72和双核ARM Cortex-R5F构成，主频可分别达到1.7GHz和800MHz；自适应引擎由传统的FPGA逻辑资源构成，包括CLB、Block RAM和UltraRAM；智能引擎主要提供计算功能，由AIE（Artificial Intelligence Engine）和DSP58构成。

目前，Versal ACAP已推出5个系列：AI Edge系列、AI Core系列、Prime系列、Premium系列和HBM系列，性能对比如表1-4所示。表中存储空间是指分布式RAM即LUTRAM、Block RAM和UltraRAM的总和。AI Edge系列嵌入了针对机器学习推理应用而优化的AIE-ML，AI Core系列嵌入的则是第一代AIE。其他系列没有植入AIE。

以AI Core系列为例，芯片内部布局如图1-22所示。其中，AIE阵列位于芯片最上方，DDR控制器位于最下方，两者通过NoC实现数据传输。不难看出，与前一代UltraScale+相比，Versal中的硬核越来越多。为了发挥这些硬核的性能，需要在设计初期研究芯片架构，规划好整个系统的布局。

AIE阵列中的每个AIE核内部结构如图1-23所示。其核心部分是向量单元，可提供强大的计算能力。例如，其中的乘加器在一个时钟周期内可实现128个8×8有符号数乘法运算或32个16×16有符号数乘法运算。

从2001年发布Virtex-II FPGA到2019年发布Versal ACAP，将近20年的时间里，Xilinx先后推出了9代产品，如表1-5所示，平均每两年就会有一代新产品诞生。产品性能不断突破——容量越来越大，速度越来越快；产品架构不断革新——从仅有PL到嵌入CPU，再到嵌入AIE。架构的不断演进使得FPGA除了在传统领域如原型验证、通信、工业控制、航空航天等继续保持一定优势外，还使得FPGA进入新的领域如数据中心，成为数据中心加速器、AI加速器、SmartNIC（Smart Network Interface Card，智能网卡），以及网络基础设施中的加速器。而FPGA厂商除了提供FPGA芯片外，还生产制作了各种加速卡，如Xilinx的Alveo加速卡、Varium加速卡，以期最大程度上满足业务需求，帮助客户缩短研发周期。