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一个值得科普的万能芯片FPGA

发布时间:2022-12-23   作者:fpga王子 浏览量:

      什么样的芯片能和光刻机一样重要?

      听到这个问题你可能会觉得会是英特尔或者AMD之类的,确实在PC机的领域这些都各有所长,

      但在很多工程应用领域有一个名字不得不提了,

      它就是FPGA。

      FPGA是英文Field Programable Gate Array的缩写,翻译过来就是"现场可编程门阵列"。

      FPGA的本质就是一个芯片,和我们熟悉的CPU GPU一样,都是芯片里的一种,被广泛应用于各种领域。

      例如我们通讯、上网时,你的数据几乎有100%的可能会通过FPGA进行处理。

      此外,FPGA芯片还被用于航天航空、导弹、雷达等很多涉及国家安全的领域,

      可以说,对于目前国内而言,它的重要性并不亚于光刻机,听到这里你是不是就肃然起敬了?!

      FPGA之所以那么牛,从它的名字就能体现出:现场 、 可编程 、 门阵列

     

      首先是门阵列,FPGA有大量的逻辑门阵列组成,逻辑门是数字电路的最基本组成单元,它基于布尔代数对二进制的0和1进行操作,

      并完成不同的逻辑运算。那么使用这些逻辑门,FPGA就可以组成各种各样不同的逻辑功能。


      说完门阵列,我们接着说它的第二个特点,可编程性。

      和我们熟知的软件编程不同,对于CPU和单片机的编程往往是通过改变上面的寄存器的配置来实现的,但是并不会改变芯片的逻辑功能。

      比如你并不能通过编程让一个网络交换芯片变成一个视频处理芯片,

      与之对应的是FPGA的可编程性,其实也叫做硬件可编程性,它让FPGA可以对逻辑门阵列进行重复编程,

      从而使得FPGA可以在逻辑层面上任意改变自己实现的硬件结构,这就赋予了FPGA有着很高的灵活性。

      也就是说通过编程,我们可以把FPGA芯片变成一个网络交换机芯片,也可以通过编程让它变成一个视频处理芯片。
      说完前两点我们再说第三点,现场。

      准确说是现场可编程性,这里指的是FPGA可以在使用现场完成编程,而不需要把芯片拆下来,然后送回生产厂家,来完成编程的操作,

      结合这三个特点,FPGA从理论上可以实现任意的电路功能,因此有不少人称FPGA为万能芯片,这也体现了FPGA有着一般芯片所不具备的灵活性。

      FPGA除了它本身的灵活性以外,它还有着很高的计算性能。

      虽然FPGA的运行频率不高,但是它可以执行大量的并行运算,有着很高的数据吞吐量。

      我们以飞机为例,CPU就好比是超音速战斗机,虽然很快,但一次只能做1~2个人,而FPGA是大型客机,虽然速度稍慢,但是一次却能带上百人。

      从这里我们就能理解了,FPPG在进行大量数据处理的时候,有CPU所不能比拟的吞吐量优势。
      FPGA发展至今,经历了发明,扩张,累积的三个阶段,从最初单纯的可编程逻辑单元逐渐发展到,拥有成百上千个可编程逻辑单元的大型阵列,

      凭借FPGA的灵活性和很高的计算性能,它一直被应用于通信和网络领域,用来对大量的网络数据包进行处理。

      我们熟知的5G通讯基站,就大量应用了FPGA芯片。


      除此之外,FPGA凭借处理数据时的吞吐量优势,在航天航空等国防军事领域里扮演着重要的角色。

      例如著名的宙斯盾系统,其雷达发射和接收的每一个单元都需要使用SPGA进行信号处理,再发送给指挥端做进一步的判断。

      随着这几年云计算和人工智能的发展,FPGA也逐渐进入人们的视线,未来也是电子工程领域的一个重要方向。


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