理解 FPGA 的关键知识点整理

虽说接触和学习 FPGA 有一段时间了，但每次在给人介绍FPGA时，还是不能说得很清楚。因为呢，FPGA还是很有门槛的。所以，针对FPGA的关键知识再学习和整理了一次。供参考，对于FPGA老鸟，直接跳过，如果是初学者，可以看看。

FPGA 做为一个特殊的芯片，为什么存在？原理如何？如何设计和使用FPGA。

1：什么是FPGA？

要理解FPGA，如果连计算机结构都不清楚（比如：冯诺依曼架构，标准指令集），还有数字集成电路设计（组合/时序逻辑，逻辑综合，CMOS电路，时序分析，布局布线，低功耗设计，存储设计，电路测试和验证），这些还是得大致了解一下。

最基础的知识： 乘法是可以通过 加(Add) 和 移位（Shift)来完成，

所以，加法器和移位器是一切运算的基础。这个很重要！！！！！

如上图，是移动运算和加法运算。

那具体我们要运算时，有哪些实现方案呢？这里要注意了，特别是做软件的同学，有两种方案：

一种是硬件方案，一种是软件方案，如何理解？

1.1：运算的软/硬件实现方案

以 4位（二进制）乘以 4位（二进制），我们的实现方案分为软件，硬件实现方案。

对于一个数学运算，我们可以通过软件来实现，比如：CPU

软件的实现方案就是：冯式定理，通过控制器，运算器，内存。控制器确认流程，接受输入，运算时通过内存来缓存中间结果，缓存数据再运算时做数据搬运，最终给出输出。

于是，会有很多搬运的过程。（冯式原理，也就是软件的计算原理，如下）

这种做法，非常符合人的思维习惯，相当于把一个问题拆成多个步骤，按顺序来执行。

另外，软件同学并不熟悉的是：可以通过硬件方式来实现：

上图是四位的乘法。如果我们认为4位的乘法是由多次移位和加法组成的，在软件实现时，可能会把一个乘法变成多次的运算，中间结果用内存来缓存。但是，在上图的硬件实现中，我们直接把运算的过程全部通过硬件一次完成了。当然， 它在往后传递数据，进行运算时，必须要保证同步。而同步实际上是靠其它来保证（这里不细讲了）。但确实，它没有缓存，搬运数据的过程，速度更快。

上图表达了最重要的 组织逻辑，时序逻辑的实现。前者不依赖历史和状态。后者依赖历史和状态有记忆的能力。

硬件可以将运算并行，总是在第一时间拿到结果后，立即进行下一步运算，运算更快。

结论：硬件的实现比软件的能耗比更低。硬件更快，消耗能量更小。

软件有很多高级编程语言来支持，符合人的思考逻辑，开发效率高。

硬件实现较复杂，开发难度大，并且，一旦在硬件上实现，不能修改，生产成本也很高。

1.2：FPGA可以结合软硬件的优势 

那如何结合软件和硬件的优势？

FPGA是其中一种可编程的方式（运行快，可编程）Programable circuit

随着FPGA的工艺提升，芯片的产量越大，消耗越高，高于某个特定量，ASIC的成本会低于FPGA。

1.3：FPGA的特点

当然，FPGA的劣势也很明显：

1：编程难度大。

对于软件，只需要学习简单的指令，做一下编译就OK了。属于指令架构。

对于FPGA的编程，除了要学会电路编程语言verilog以外，还需要学会如何 Synthesis，place,rout，逻辑电路还需要映射到当前FPGA的 Primitive Cell。

2：比 ASIC 更贵一些（10x的面积），

3：比 ASIC 更慢一些。（3x的差距）

以上讲了那么多，关键是讲了FPGA是如何产生的，以及它在芯片行业中的定位。

那FPGA的可编程具体是如何实现的呢？大家都知道是LUTS表和Switch，但具体细节呢？我们来仔细看一下。

2：如何实现Field-Programmable

如何要改上面的运算，一是改逻辑，一是改连线。

2.1：FPGA实现编程的方式

对于FPGA  的实现方式如下：

通过 内存位（1和0）来控制开关。

逻辑如何实现，可以通过真值表来表达所有逻辑。所以，更改真值表的值，就变更了逻辑。

所以，不管是逻辑还是开关，都是通过 Memory 来完成定制的，所以，我们会发现，在往FPGA上烧录最终的bitstream时，实际上就是一行 1010的数据写入。

对于Memory的实现，有很多种实现方式。但是在实现时，我们会考虑如下几种场景：

* 是否支持多次编程

* 是否非易失。失电后的是否丢失内容

* 是否要采用标准工艺进行生产

* 可扩展性，伸缩性

* 是否可现场编程，不依赖工厂。

2.2：如何选择用于配置的存储

如此，我们一般会选择SRAM的方案：（除了失电会丢失数据，其它都很OK）

SRAM并不是唯一的选择：也有其它选择，可参考下表：

好，基于上面的学习，我们重新再来理解一下FPGA。

好了，如何实现可编程，应该已经讲清楚了。

接下来，就是难点了，硬件是如何实现FPGA的，架构是怎样的？硬件是如何实现的？

3：如何实现FPGA

FPGA内部的逻辑架构如下：

首先看一下 Floorplan：（逻辑单元，输入/输出，DSP，ERAM，

3.1：逻辑单元

针对单个的Logic Block 如下：它由多logic-cell组成，注意，一个logic cell  是由 Luts，carray，register 组成。

做多大的颗粒度，与工艺相关。

3.2：连接方式

看了逻辑单元，再来看连接方式，目标很明确，走通，时序，面积，功耗。

对于连接的架构，有以下几种：

而最常见的连接架构是如下的Mesh方式：横（纵）Routing chanel + Switch Box

对于时钟网络，设计如下：

3.3：FPGA的通常架构

以下的 tile-base 架构是最常见的FPGA架构，如图，就是一种堆积相同逻辑单元的方式。

这是最早的FPGA的一个CLB的结构：

FPGA随着应用场景增加，加入了越来越多的IP，变成了一个平台。

常见的IP如下：

最新，最先进的FPGA是一个非常复杂的SoC。

什么是Scalar Engine，实际上相对于并行/向量运算的普通运算。我们用CPU实现的普通数学运算，我们都可以认为是标量（Scalar，单一数据)运算。相对应的 AI运算一般是并行的向量或者说Tensor运算，会采用DSP或者AIE，

对于FPGA的可适应用性，我们可以理解为它可以在硬件层面重新配置电路，和ARM，DSP，AIE的编程是大不相同的。

这里SoC特别强调了图像处理，神经网络推理这种热门场景，但并不仅限与此。而对于神经网络压缩的在线处理，这个好像很少有人这么使用。

3.4：软件如何建模

软件需要进行建模的元素有：

架构（为了GUI显示，为了Place / Route）

        Logic block：CLB（Xilinx的称呼）

        interconnects：连接方式的建模

        global clocks：全局时钟网络，保证时钟同步。

        Floorplan：整体的布局。

PRAM configuration（为了bitstream的生成）：这是指的为了加载FPGA的配置的内存。

Timing delays：为了计算STA

Power data ：为了做能耗的分析

Primitive：FPGA中原生的基础元件，为了综合时的Map和综合的处理。

我们在建模时，不可能针对每一个Lut进行单独建模，一定是按照 Tile模块的方式，只对单个Tile进行建模，其它都重复的。

3.5 软硬件如何配合

而软硬件有很强的依赖，两者交互点较多，下面的图列出了一部分关键点：

理解一下上面的图：

3.6：数字/模拟的设计过程

对于模拟电路的整个设计过程，有如下的步骤：

• DRC：检查设计是否符合工艺规则，确保制造可行性。
• LVS：验证版图与原理图的一致性，确保电气连接正确。相当于对逻辑图和物理实现进行对比。
• PEX：提取寄生参数，用于评估电路的实际性能影响。

对于数字电路的设计，有以下步骤：

硬件相关的知识大概就了解这么多了，接下来，非常重要的是，芯片生产出来后，如何进行测试？

4：芯片如何测试？

芯片有是就设计，生产，封装测试，三个大步骤。

4.1：MOSFET的架构

下图是一个标准的MOSFET的结构，以及改进的FinFET版本，按FinFET实际生产的一款7nm芯片。

4.2：制造过程

关注一下半导体的制造过程：

1：晶园的准备——先是拉制成硅锭，然后切割成晶园。

2：光刻——这里称为图形转移，就是将电路图转移到晶园上。光刻机使用光源将光通过掩模，将掩膜上的图案通过缩放投影在涂有光刻胶的昌园表面。

3：掺杂——形成源极和漏极。通过注入杂质。形成芯片的基本元件。

4：沉积——形成金属导电层，形成芯片中各个元件之间的导线。形成电路互连结构。

5：蚀刻——把不需要的部分去掉，只保留电路。去除掉不需要的材料。

6：封装——将wafer中的die切出来，切成祼片，加上保护壳，成为集成电路的芯片。经过测试和质量检测，就可以投入市场使用。

4.3：光刻过程

对于光刻过程，有必要重点了解一下：

4.4：芯片的面积约束

芯片不能太大，因为越大，良率越低。如下图。一般最大的面积是 25mm * 25 mm

4.5：芯片的测试

那我们如何判断一颗芯片是OK，可用的？

1：回片测试

        是否和设计的要求一致，需要严格的回片测试。

2：功能测试

        按需要达成的功能进行测试，比如：乘法是否正常。

3：性能测试

        运行时的最高频率。也就是能跑到的最高频率。

4：量产测试

        可能需要对测试的芯片划分等级，因为质量可能不同。如：速率，温度……） 

4.6：测试的方法      

功能测试：主要对开关，导线的联通性做测试。

按照功耗，速度。会对芯片分等级，分箱处理。（用在不同场景，或销售不同价格）

下面是完整的制造测试流程：

1：DFT——基于DFT规则来指导测试的试计

2：Fault Model——定义缺陷模式。

3：测试向量生成——手动生成简单故障，自动生成更复杂的故障模型。

4：形成测试程序——在生产测试中实际运行。

5：测试向量集——需要生成额外向量，处理测试中未检测到的缺陷。

6：客户产品测试——基于客户的应用做测试

7：良率分析——如果存在逃逸，需要分析原因

整个 MFT 框架包含了从测试生成、配置、执行到评估的完整流程。各模块通过数据库和仿真工具的相互配合，确保测试能够覆盖所有潜在故障，验证芯片功能的可靠性。

最终测试完成后确认的芯片，一般的命名规则：

5：FPGA的软件工具

5.1：软件开发流程

和ASIC的区别，会有一个固定的架构（这会影响后续的每一个步骤）

FPGA的EDA软件必须要适配硬件提供的架构，否则，没有用处。

5.2：RTL设计

第一步，仍然是输入RTL设计。

5.3：综合

然后，是将RTL综合成为门级网表。

5.4：Mapping

按照FPGA提供的Primitive，进行Mapping，匹配上FPGA固定的器件。

5.5：Place & Route

然后在FPGA中选择具体的物理元器件，涉及具体的物理位置。

选好位置，开始步线，保证实现原有的逻辑。

5.6：时序分析

布线如果不通，可以重新Place。同时，需要分析时序是否合适。

5.6：功耗分析

另外，需要做功耗分析。

5.7：FPGA设计关键

注意一下，实际上 FPGA 的频率要达到1G，是很难的（因为固定架构，需要更多的走线，时钟本身频率也不高）。但即使这样，运行速度仍然会比CPU要快很多（因为主频并不代表速度，高速更多源于并行运算），并且，频率越高，功耗越大，也是不适合的。

FPGA最大的一个问题：估算连线的时延很难，不是很准确。

我们在设计EDA软件前，一定要明白，在越靠前的地方，出错的成本会越高（这和做任何事情都是一样的）。

6：如何支持客户开发FPGA应用

对于客户，除了芯片，必须用到的是：

* 芯片的参数表

一般会涉及逻辑单元量（LUTS量，FF），Memory，DSP，通讯接口，DDR控制器，封装的引脚……

* 芯片的EDA工具，特别是GUI版本的工具

* 芯片的开发版

6.1：芯片参数表

6.2：EDA工具

客户使用场景最多的就是EDA工具。

在工具中完成仿真，就可以使用开发板，将程序下载到实际芯片，进行测试了。

6.3：如何获得客户

要获得一个FPGA客户，有6个步骤

第一步：做宣传，品牌营销，让客户知道。

第二步：深入介绍产品，让用户了解具体的产品。

第三步：帮助客户做验证，AE介入，评估产品是否适合客户。

第四步：与客户深入互动，解决客户遇到的问题。

第五步：免费试用，指导操作，促成客户购买芯片。

第六步：建立长期合作关系，加深客户的忠诚度。

6.4：如何更好的支持客户

客户可能不会给RTL代码，所以，很可能需要现场进行调试。

6.5：FAE是软件的最重要的客户

对于初创公司，需要尽快的发布产品，获得收入。所以，产品很有可能并不成熟。

所以，FAE可能会面临很多问题。

好了，大概就从这6个方面，重新学习一下FPGA的基础知识。