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世界上许多最先进的电子系统——包括互联网路由器、无线基站、医学影像扫描仪和一些人工智能工具——都依赖于现场可编程门阵列（FPGA）。FPGA是一种带有内部硬件电路的计算机芯片，可以在制造完成后重新配置。
今年3 月 12 日，一块IEEE 里程碑牌匾在加利福尼亚州圣何塞的AMD园区揭幕，该园区曾是Xilinx总部所在地，也是这项技术的诞生地，该牌匾旨在表彰第一个FPGA 。
FPGA之所以被誉为里程碑式的产品，是因为它引入了半导体设计中的迭代机制。工程师无需制造新芯片即可反复重新设计硬件，从而显著降低了开发风险，并在半导体成本快速上涨的时期实现了更快的创新。
此次仪式由IEEE圣克拉拉谷分会组织，汇聚了来自半导体行业的专业人士和IEEE领导层。活动演讲嘉宾包括IEEE和ACM会士斯蒂芬·特林伯格。他的技术贡献帮助塑造了现代FPGA架构。特林伯格回顾了这项发明如何实现了软件可编程硬件。
解决计算的灵活性与性能之间的权衡
FPGA（现场可编程门阵列）诞生于 20 世纪 80 年代，旨在解决计算机领域的一个核心限制。微处理器按顺序执行软件指令，虽然灵活，但对于需要同时处理大量运算的工作负载而言，速度有时太慢。
另一方面，专用集成电路（ ASIC）是专为执行单一任务而设计的芯片。ASIC 效率高，但开发周期长，且工程成本高昂，属于一次性巨额投资。这些费用包括芯片设计和制造准备——这一过程涉及创建详细的布局图、为制造设备制作掩模以及搭建生产线来处理这些微型电路。
“ASIC芯片可以提供最佳性能，但开发周期长，而且一次性工程成本可能非常高，” IEEE会士、加州大学洛杉矶分校计算机科学教授Jason Cong表示。“FPGA芯片则在处理器和定制芯片之间找到了一个理想的平衡点。”
丛教授在FPGA设计自动化和高级综合方面的奠基性工作彻底改变了可重构系统的编程方式。例如，他开发了可以将C/C++代码转换为硬件设计的综合工具。
他的工作的核心是电气工程师罗斯·弗里曼首先提出的一个基本原则：通过使用嵌入芯片内部的可编程存储器来配置硬件，FPGA 将硬件级速度与传统上与软件相关的适应性结合起来。
硅谷起源：首个FPGA
FPGA架构起源于20世纪80年代中期，由硅谷公司赛灵思（Xilinx ）开发，该公司成立于1984年。这项发明普遍被认为是赛灵思联合创始人兼首席技术官弗里曼（Freeman）的功劳。他设想的芯片电路可以在制造完成后进行配置，而不是在制造过程中永久固定。
有关FPGA 历史的文章强调，他认为 FPGA 是刻意打破传统芯片设计的产物。
当时，半导体工程师将晶体管视为稀缺资源。定制芯片经过精心优化，几乎每个晶体管都服务于特定用途。
弗里曼提出了不同的方法。他认为摩尔定律很快就会改变芯片经济格局。该定律指出，晶体管的数量大约每两年翻一番，从而使计算成本更低、性能更强。弗里曼认为，随着晶体管数量的增加，灵活性将比绝对效率更为重要。
他设想了一种由可编程逻辑块组成、通过可配置路由连接的设备——一种充满他所谓的“开放式门”的芯片，用户在制造完成后即可对其进行定义。工程师无需将硬件永久固定在硅片上，而是可以根据需求的变化配置和重新配置电路。
弗里曼有时将这一概念比作空白磁带：制造商提供介质，而工程师决定其功能。这种比喻深刻地揭示了技术控制权的重大转变，硬件设计的灵活性从芯片制造厂转移到了系统设计者自身。
1985年，赛灵思推出了首款商用FPGA：XC2064。该器件包含64个可配置逻辑块——能够执行逻辑运算的小型数字电路——排列成8×8的网格。可编程的路由通道允许工程师定义信号在各逻辑块之间的传输方式，从而有效地通过软件实现定制电路的连接。
XC2064采用 2 微米工艺制造（这意味着 2 微米是使用光刻技术在硅片上可实现的最小图案尺寸），实现了数千个逻辑门。现代 FPGA 可以包含数亿个逻辑门，从而实现更为复杂的设计。然而，XC2064 建立了一种沿用至今的设计工作流程：工程师以数字方式描述硬件行为，然后“编译设计”，据AMD称，该过程会自动将设计方案转换为 FPGA 设置其逻辑块和布线所需的指令。之后，工程师将该配置加载到芯片上。
突破：由内存定义的硬件
Cong表示，早期的可编程逻辑器件，例如可擦除可编程只读存储器（EPROM），虽然允许有限的定制，但主要依赖于固定的布线结构，随着电路变得越来越复杂，这种结构扩展性很差。
FPGA引入了可编程互连——由分布在芯片上的存储单元控制的电子开关网络。上电时，器件会加载一个比特流配置文件，该文件决定其内部电路的运行方式。
“随着工艺技术的进步和晶体管数量的增加，可编程性的成本变得不那么重要了，”Cong说道。
从“粘合剂逻辑”到关键基础设施
Cong表示： “最初，FPGA被用作工程师们所说的粘合剂逻辑。”
据《PC Magazine》报道，粘合逻辑指的是连接处理器、内存和外围设备的简单电路，以确保系统可靠运行。换句话说，它将不同的组件“粘合”在一起，尤其是在接口频繁变化的情况下。
早期用户认识到硬件能够随着标准的演变而不断适应的优势。在发表于《ACM通讯》的《 FPGA的历史、现状与未来》一文中，赛灵思以及贝尔实验室、仙童半导体、IBM和Sun Microsystems等机构的工程师指出，FPGA最早的用途是用于ASIC原型设计。他们还利用FPGA在制造前运行软件来验证复杂系统，从而使这些公司能够以较小的产量部署专用产品。
这些用途揭示了一种更广泛的转变：硬件一旦部署就不再需要保持固定不变。
半导体经济改变了格局
丛教授表示，FPGA的兴起与半导体经济的变化密切相关。
根据AnySilicon发布的一篇文章，开发定制芯片需要在生产开始前投入大量资金。随着制造成本的增加，产品必须批量出货才能使ASIC开发在经济上可行。
FPGA 让设计人员无需投入大量资金即可推进项目。
丛教授表示，ASIC 开发从概念到芯片成型通常需要 18 到 24 个月，而 FPGA 的实现通常可以使用现代设计工具在 3 到 6 个月内完成。更短的开发周期和硬件可重构性使得初创公司、高校和设备制造商能够尝试以前只有大型芯片公司才能使用的先进架构。
查找表与可重构计算的兴起
一种在硬件中实现数学函数的常用技术是查找表(LUT)。根据论文“ LUT-LLM：基于 FPGA 内存的高效大型语言模型推理”，LUT 是一种存储逻辑运算结果的小型存储元件。该论文已被选中在下个月举行的第 34 届IEEE 现场可编程定制计算机器国际研讨会(FCCM) 上发表。
该芯片无需反复重新计算结果，而是直接从内存中检索答案。Cong 将这种方法比作查阅乘法表，而不是每次都重新计算。
丛等人的研究帮助开发了将数字电路映射到基于查找表 (LUT) 的架构上的有效方法，从而塑造了现代设备中使用的布线和布局策略。
随着晶体管预算的增加，FPGA 供应商集成了存储器模块、数字信号处理单元、高速通信接口、加密引擎和嵌入式处理器，将这些设备转变为多功能的计算平台。
为什么门阵列与 CPU、 GPU和 ASIC不同
FPGA 可以与其他处理器共存，因为它们各自优化不同的优先级。中央处理器 (CPU) 擅长通用计算。图形处理器 (GPU) 旨在同时执行大量计算，因此在人工智能训练等大型并行工作负载中占据主导地位。专用集成电路 (ASIC) 在设计稳定且产量高时可提供最高效率。
“ASIC芯片性能最佳，但开发周期长，且非重复性工程成本可能非常高。FPGA芯片则在处理器和定制芯片之间找到了一个理想的平衡点。”Jason Cong说。
丛教授表示：“FPGA 并不能取代 CPU 或 GPU，它们只是在异构计算系统中对这些处理器进行补充。”
现代计算平台越来越多地将多种类型的处理器结合起来，以平衡灵活性、性能和能源效率。
这不仅仅是一个设备的里程碑，更是一个理念的里程碑。
IEEE的这项里程碑式成就不仅表彰了一款成功的半导体产品，也认可了工程师创新方式的转变。
可重构硬件使设计人员能够快速测试想法、改进架构，并在标准和市场不断发展的同时部署系统。
丛先生表示：“如果没有FPGA，硬件创新的速度可能会慢得多。”
在首款FPGA问世四十年后，这项技术的持久影响力体现了弗里曼的远见卓识：硬件并非一成不变。通过接受少量未使用的硅片以换取适应性，工程师们将芯片从静态产品转变为持续实验的平台——将硅片本身变成了一种工程师可以重写的媒介。
IEEE里程碑奖牌上刻着“现场可编程门阵列”的字样：
FPGA是一种集成电路，具有用户可编程的布尔逻辑功能和互连。FPGA 发明者 Ross Freeman 与人共同创立了 Xilinx 公司，旨在将其 1984 年的发明产品化。1985 年，Xilinx 推出了 XC2064，它具有 64 个可编程的 4 输入逻辑功能。Xilinx 的 FPGA 加速了行业的重大变革，使得“无晶圆厂”公司能够使用软件工具设计硬件，同时聘请“代工厂”公司来处理制造软件定义硬件这项资本密集型任务。
（来源：编译自ieee ）
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