FPGA是現場可程式設計門陣列的英文縮寫。FPGA是一種可程式設計邏輯器件，其內部邏輯可以由使用者來設定。通常在晶片設計的驗證階段被大量使用，也在小批次試製產品中得到應用。

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現場可程式設計門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可程式設計器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用積體電路(ASIC)領域中的一種半定製電路而出現的，既解決了定製電路的不足，又克服了原有可程式設計器件閘電路數有限的缺點。

FPGA，現場可程式設計門陣列(Field Programmable Logic Device)，可程式設計邏輯器件的一種。它可以由使用者來進行程式設計和配置，進而用來解決各種不同的邏輯設計問題。

可程式設計器件發展的初期主要是用來解決儲存問題，隨著後來的發展轉向各種邏輯應用。在結構、工藝、整合度、功耗、速度等方面有了很大的提高和改進。

可程式設計邏輯器件的發展階段

我們一起來了解一下可程式設計邏輯器件的發展歷史。

可程式設計邏輯器件的發展主要經歷以下幾個階段：

早期的可程式設計邏輯器件，早期的PLD主要是用來解決各種儲存問題，如可程式設計只讀儲存器（ROM）、可程式設計只讀儲存器（PROM）、紫外線可擦除儲存器（EPROM）、電可擦除儲存器（EEPROM），由於結構限制，它們只能完成簡單的數字邏輯功能。結構上稍微複雜的可程式設計邏輯器件，80年代初期，AMD公司和Lattice公司先後推出了各自的可程式設計邏輯器件，主要為可程式設計邏輯器件（PAL）、通用陣列邏輯（GAL）、可程式設計邏輯器件（PLA）等等，這些PLD在設計上有很強的靈活性，可以實現速度效能較好的邏輯功能，但它們結構簡單，只能實現小規模的電路設計。複雜可程式設計邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD)和現場可程式設計門陣列(Field Programmable Logic Device)，這類器件的體系結構和邏輯單元靈活、整合度高、適用範圍廣。這類器件相容了PLD和通用門陣列的優點，具備實現大規模電路設計的能力，程式設計也靈活，開發週期短、設計成本低、開發工具成熟、質量可靠，因此被大規模使用。FPGA晶片內部結構

目前大部分的FPGA仍是基於查詢表（LUT）技術，但是隨著版本的升級，代與代之間的基本功能差別很大，在現在的FPGA內部，整合了很多常用功能（如RAM、時鐘管理 和DSP）的硬核（ASIC型）功能模組。

圖一 FPGA晶片的內部結構

圖一給出一個通用的內部結構模型，實際上不同系列的FPGA，內部的結構都不盡相同。但是從上圖我們可以看出，FPGA晶片的主要部分由6大模組，分別為：可程式設計輸入輸出單元（IOB）、基本可程式設計邏輯單元（CLB）、數字時鐘管理（DCM）、嵌入塊式RAM（BRAM）、豐富的佈線資源、內嵌的底層功能單元和內嵌專用硬體模組。

目前FPGA具備的功能

經過這麼多年的發展，目前的FPGA已經具備了以下的功能：

支援模數轉換和數模轉換；採用片內鎖相環，支援高速時鐘，減少訊號的畸變，時鐘可以複用；有豐富的佈線資源；在片內有分佈RAM和塊RAM；包含獨立的快速邏輯進位模組，有專門的乘法器；邏輯功能塊的區域性佈線和相互間的通用佈線，可以精確的預測網線的延時；I/O模組有快速的I/O驅動、寄存的輸入輸出、三態使能控制等控制特性。FPGA的發展方向

隨著微電子技術的快速發展，速度更快、整合度更高的FPGA在不斷出現，結構和工藝的提高，使FPGA的資源越來越豐富，可實現的功能越來越強大。

所以FPGA有如下的發展趨勢：

向更高密度、更大容量邁進；朝著低成本、低電壓、低功耗、微封裝方向發展；IP資源複用得到普遍的認同併成為主要的設計方式；MCU、DSP、MPU等嵌入式處理器IP成為FPGA應用的核心。FPGA在神經網路方面的應用

近兩年，隨著AI、神經網路技術等產業的迅猛發展，對計算力的要求越來越高，因為FPGA具有資源豐富、配置靈活以及DSP、MCU等IP整合到一起的巨大優勢，所以基於FPGA的NN加速器的研究和產業化，十分火熱。比如微軟的Bing搜素業務等就使用了基於FPGA的NN加速器。

但是FPGA價格較貴，所帶來成本上的壓力，在一定上面，可能會抑制它的更大規模的使用。

小結

FPGA作為可以讓使用者來進行程式設計和配置，進而用來解決各種不同的邏輯設計問題的器件，在各種新型技術興起的前期（之前的大資料、如今的神經網路），都表現出了非常好的活力，它降低了新興技術研究的成本，加快了新興技術研究的速度，在整個技術演進道路上，扮演著舉足輕重的角色。