国产亚洲精品AAA大片,五月天综合网在线欧美,久久久久九九精品影院,中文国产日韩欧美二视频

【628568.com--述職報(bào)告】

報(bào)告使用范圍很廣。按照上級(jí)部署或工作計(jì)劃，每完成一項(xiàng)任務(wù)，一般都要向上級(jí)寫報(bào)告，反映工作中的基本情況、工作中取得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、存在的問題以及今后工作設(shè)想?；莺?a target="_blank" class="keylink">考試網(wǎng)今天為大家精心準(zhǔn)備了FPGA技術(shù)調(diào)研報(bào)告，希望對(duì)大家有所幫助!

　　FPGA技術(shù)調(diào)研報(bào)告

　　1．引言

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (Fieldprogrammablegatearrays， FPGA) 是一種可編程使用的信號(hào)處理器件，用戶可通過改變配置信息對(duì)其功能進(jìn)行定義， 以滿足設(shè)計(jì)需求。 與傳統(tǒng)數(shù)字電路系統(tǒng)相比， FPGA 具有可編程、 高集成度、高速和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)， 通過配置器件內(nèi)部的邏輯功能和輸入/輸出端口， 將原來電路板級(jí)的設(shè)計(jì)放在芯片中進(jìn)行，提高了電路性能，降低了印刷電路板設(shè)計(jì)的工作量和難度， 有效提高了設(shè)計(jì)的靈活性和效率。設(shè)計(jì)者采用 FPGA 的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1) 減少對(duì)所需器件品種的需求， 有助于降低電路板的體積重量；

　　(2) 增加了電路板完成后再修改設(shè)計(jì)的靈活性；

　　(3) 設(shè)計(jì)修改靈活， 有助于縮短產(chǎn)品交付時(shí)間；

　　(4) 器件減少后， 焊點(diǎn)減少，從而可提高可靠度。尤其值得一提的是， 在電路運(yùn)行頻率越來越高的情況下，采用 FPGA 實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜電路功能減小了板級(jí)電路上 PCB 布線不當(dāng)帶來的電磁干擾問題， 有助于保證電路性能。

　　FPGA 也是 現(xiàn) 階 段 航 天 專 用 集 成 電 路 （ASIC,Applicationspecificintegratedcircuit） 的最佳實(shí)現(xiàn)途徑。 使用商用現(xiàn)貨 FPGA 設(shè)計(jì)微小衛(wèi)星等航天器的星載電子系統(tǒng)， 可以降低成本。利用 FPGA 內(nèi)豐富的邏輯資源， 進(jìn)行片內(nèi)冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)， 是滿足星載電子系統(tǒng)可靠性要求的一個(gè)好辦法。目前，隨著對(duì)衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展、 用戶技術(shù)指標(biāo)的不斷提高以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，功能度集成和輕小型化已經(jīng)成為星載電子設(shè)備的一個(gè)主流趨勢(shì)。 采用小型化技術(shù)能夠使星載電子設(shè)備體積減小、重量減輕、 功耗降低， 提高航天器承載有效載荷的能力以及功效比。采用高功能集成的小型化器件，可以減小印制板的尺寸， 減少焊盤數(shù)量， 還有利于充分利用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。 星載數(shù)字電路小型化的關(guān)鍵是器件選用，包括嵌人式高集成度器件的選用，其中， 高密度可編程邏輯器件 FPGA 的選用是一個(gè)重要的實(shí)現(xiàn)方式。

　　目前，在航天遙感器的設(shè)計(jì)中， FPGA 被廣泛地應(yīng)用于主控系統(tǒng) CPU 的功能擴(kuò)展CCD 圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生以及高速數(shù)據(jù)采集。本文回顧了 FPGA 的發(fā)展， 分析了其主要結(jié)構(gòu)，并對(duì)航天應(yīng)用 FPGA 進(jìn)行了綜述。 指出了航天應(yīng)用對(duì)FPGA 及其設(shè)計(jì)的要求， 重點(diǎn)分析了空間輻射效應(yīng)對(duì)FPGA 可靠性的影響， 并總結(jié)了提高 FPGA 抗輻照的可靠性設(shè)計(jì)方法。 最后， 對(duì)航天應(yīng)用 FPGA 的發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　2.FPGA航天應(yīng)用

　　可編程邏輯器件以其設(shè)計(jì)方便、設(shè)計(jì)便于修改、功能易于擴(kuò)展， 在航天、空間領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 一種是以 Actel 公司產(chǎn)品為代表的一次編程反熔絲型 FPGA， 一種是以Xilinx 公司產(chǎn)品為代表的基于 SRAM 的可重新配置的 FPGA。

　　2.1 航天應(yīng)用 FPGA 的分類

　　FPGA 按其編程性， 目前具有航天成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的 FPGA 主要有兩類： 一類是只能編程一次的一次性編程 FPGA。 另一類是能多次編程的可重編程 FPGA,如 SRAM 型 FPGA、 Flash 型 FPGA， 這類 FPGA 一般具有在系統(tǒng)編程(ISP,Insystemprogramming) 能力。

　　2.1.1一次性編程 FPGA

　　此類產(chǎn)品采用反熔絲開關(guān)元件， 具有體積小、版圖面積小、 低抗輻射抗干擾、 互連線特性阻抗低的特點(diǎn)， 不需要外接 PROM 或 EPROM， 掉電后電路的配置數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，上電后即可工作， 適用于航天、 軍事、 工業(yè)等各領(lǐng)域。 這類產(chǎn)品中， 具有代表性并已取得航天應(yīng)用成功經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品是 ACTEL 公司的抗輻射加固反熔絲型 FPGA。與傳統(tǒng) FPGA 平面型散布 的 邏 輯 模塊 、 連 線 、開關(guān)矩陣的布局不同， 反熔絲型 FPGA 采用緊湊、 網(wǎng)格化密集布局的平面邏輯模塊結(jié)構(gòu)。利用位于上下邏輯模塊層之間、 金屬對(duì)金屬的可編程反熔絲內(nèi)部連接元件實(shí)現(xiàn)器件的連接，減小了通道和布線資源所占用的空間。 在編程之前，該連接元件為開路狀態(tài)， 編程時(shí)， 反熔絲結(jié)構(gòu)局部的小區(qū)域內(nèi)具有足夠高的電流密度， 瞬間產(chǎn)生較大的熱功耗，融化絕緣層介質(zhì)形成永久性通路。

　　2.1.2可重編程 FPGA

　　此類產(chǎn)品采用 SRAM 或 FlashEPROM 控制的開關(guān)元件， 其優(yōu)點(diǎn)是可反復(fù)編程。 配置程存放在 FPGA外的存儲(chǔ)器中， 系統(tǒng)上電時(shí)， 配置程加載到 FPGA中完成硬件功能的定制化。 其中， SRAM 型 FPGA 還可以在系統(tǒng)運(yùn)行中改變配置， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。但是， 此類FPGA 掉電后存儲(chǔ)的用戶配置邏輯會(huì)丟失， 只能上電后重新由外部存儲(chǔ)器加載。 FlashEPROM 型 FPGA 具 有 非 易 失 性 和 可 重 構(gòu) 的 雙 重 優(yōu)點(diǎn)， 但不能動(dòng)態(tài)配置， 功耗也比 SRAM 型FPGA 高。此類 FPGA 由于配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 FPGA 內(nèi) 的 SRAM存儲(chǔ)器中， 可編程邏輯開關(guān)采用多路選擇器實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部邏輯功能采用基于 SRAM 結(jié)構(gòu)的查找表實(shí)現(xiàn) ，這些部位都屬于單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)敏感型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。因此， 在航天應(yīng)用中要特別注意。具有代表性的、并取得航天應(yīng)用成功經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品是 Xilinx 公司的基于SRAM 型 Virtex 系列的 FPGA 產(chǎn)品。

　　2.2FPGA 航天應(yīng)用現(xiàn)狀

　　FPGA 在國(guó)內(nèi)外的航天、 空間領(lǐng)域， 特別是商用衛(wèi)星得到了廣泛的應(yīng)用。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)內(nèi)外深空探測(cè)、 科學(xué)及商用衛(wèi)星共 60 個(gè)項(xiàng)目中都用到了 FPGA，軍用衛(wèi)星項(xiàng)目中也有多個(gè)項(xiàng)目用到 FPGA。

　　2.2.1ActeFPGA 的航天應(yīng)用

　　Actel 的耐輻射和抗輻射 FPGA 自從在 1997 年火星探路者 （MarsPathfinder） 以及隨后的勇氣號(hào)、 機(jī)遇號(hào)任務(wù)中取得成功后， 其 FPGA 繼續(xù)用于 NASA、ESA 的火星探測(cè)任務(wù)。 Actel 的耐輻射和抗輻射器件用于火星探測(cè)器的控制計(jì)算機(jī)，執(zhí)行從地球到火星6 個(gè)月飛行的導(dǎo)航功能。 在火星探索者漫游器 （ExplorerRover） 的照相機(jī)、 無線通信設(shè)備中均采用了 Actel 器件。 ESA 的火星快車軌道衛(wèi)星中， 固態(tài)記錄器使用了 20 多個(gè) ActelFPGA 器件。Actel 公 司的 FPGA 器 件 已 用 于 德 國(guó) 航 天 領(lǐng) 域 (DLR) 雙光譜紅外探測(cè) (BIRD) 衛(wèi)星中。 BIRD 是全球首個(gè)采用紅外傳感器技術(shù)的衛(wèi)星， 以探測(cè)和研究地球上的高溫事件，如森林山火、 火山活動(dòng)、油井和煤層燃燒等。 超過 20 個(gè)高可靠性 FPGA 用干衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)處理、 存儲(chǔ)器管理、 接口和控制、 協(xié)處理以及紅外攝影機(jī)的傳感器控制等多個(gè)關(guān)鍵性功能中。

　　2.2.2 XilinxFPGA 的航天應(yīng)用

　　同 ACTEL 相比， Xilinx 公司用于航天、 空間領(lǐng)域的產(chǎn)品研制較晚， 但是， 其功能強(qiáng)大、性能高、可重新配置的民用塑封產(chǎn)品向宇航級(jí)產(chǎn)品的過渡、全面提高抗空間輻射能力，逐漸成為空間電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用的 FPGA 產(chǎn)品， 并將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

　　Xilinx 的 Virtex 耐輻射 FPGA 被用于 2003 年發(fā)射的澳大利亞的軍民混用通信衛(wèi)星 OptusCL， 在衛(wèi)星的 UHF 有效載荷中， XilinxVirtexFPGA(XQVB300）用來實(shí)現(xiàn)地球數(shù)據(jù)的信號(hào)處理算法，并使用了 Xilinx提供的 IP 核。

　　Xilinx 的加固 FPGAXQR4062XL 被用于 2002 年發(fā)射的澳大利亞科學(xué)衛(wèi)星 Fedsat （聯(lián)合衛(wèi)星， 用于研究磁層） 的高性能計(jì)算有效載荷。 HPC-1 是第一例在星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行中采用 FPGA 實(shí)現(xiàn)了可配置計(jì)算技術(shù) RCT。 目前正在開發(fā)的 RHC-II 將使用XilinxFPGA 實(shí)現(xiàn)星上數(shù)據(jù)處理。

　　此外 ， GRACE(NASA） 的 敏 感 器 中 使 用 了XQR4O36XL 產(chǎn)品。

　　在火星探測(cè)漫游器Discovery 和 Spirit 中都成功應(yīng)用了 XilinxFPGA 產(chǎn)品。 兩片宇航 FPGAVirtexTMFPGAXQVR100O 被用于火星漫游器車輪電機(jī)控制、機(jī)械臂控制和其他儀表中， 4 片耐輻照 4000 系列的FPGAXQR4062XL 用于控制火星著陸器的關(guān)鍵點(diǎn)火設(shè)備， 保證著陸器按規(guī)定程序下降及成功著陸。歐洲第一個(gè)彗星軌道器和著陸器 ROSETTA 上總共有 45 片 FPGA，都選用 ACTELRT14I00A， 承擔(dān)了控制、 數(shù)據(jù)管理、 電源管理等重要功能， 并且飛行中任何一片 FPGA 都不得斷電。

　　Xilinx 最新發(fā)布的 Virtex-5QVFPGA 具有非常高的抗輻射性， TID 耐性為 700kraD 以上，SEU （Sin-gleEventUpset， 單粒子翻轉(zhuǎn)） 閂鎖 （LatchUp） 耐性超過 100MeV·cM2/Mg，主要面向人造衛(wèi)星和宇宙飛船上的遙感處理、圖像處理以及導(dǎo)航儀等用途。 因此，基于 FPGA 系統(tǒng)構(gòu)成無需為了輻射措施而增加冗余，可以削減系統(tǒng)開發(fā)所需要的時(shí)間和成本。其規(guī)模也達(dá)到了 13 萬個(gè)邏輯單元， 集成了最高速度為 3.125Gbit/s的高速收發(fā)器， 并強(qiáng)化了 DSP 功能，作為航天領(lǐng)域用 FPGA 中屬業(yè)界最高水準(zhǔn)。

　　3. 輻射效應(yīng)及其影響

　　航天、空間電子設(shè)備由于其所處的軌道以及使用環(huán)境的不同, 受到的輻射影響也不相同。 從總體上來說， 對(duì) FPGA 影響比較大的輻射效應(yīng)主要有: 總劑量效應(yīng) (TID:TotalionizingDose)、 單粒子翻轉(zhuǎn) (SEU:Singleeventupset)、單 粒 子 閂 鎖 (SEL:Singleevent latchup)、單粒子功能中斷 (SEFI:Singleeventfunc-tionalinterrupt) 、 單 粒 子 燒 毀 (SEB:Singleeventburnout)、單 粒 子 瞬 態(tài) 脈 沖 (SET:Singleeventtran-射效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理不盡相同, 引起 FPGA 的失效形式也不同。

　　總劑量效應(yīng)：光子或高能離子在集成電路的材料中電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)， 最終形成氧化物陷阱電荷或者在氧化層與半導(dǎo)體材料的界面處形成界面陷阱電荷，使器件的性能降低甚至失效。

　　單粒子翻轉(zhuǎn)：具有一定能量的重粒子與存儲(chǔ)器件或邏輯電路 PN 結(jié)發(fā)生碰撞, 在重粒子運(yùn)動(dòng)軌跡周圍形成的電荷被靈敏電極收集并行成瞬態(tài)電流， 如果電流超過一定值就會(huì)觸發(fā)邏輯電路, 形成邏輯狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。 單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)域是指 FPGA 中易于受到單粒子效應(yīng)影響的區(qū)域， 包括FPGA 的配 置 存 儲(chǔ) 器 、DCM、 CLB、 塊存儲(chǔ)區(qū)域。

　　單粒子閂鎖： CMOS 器件的 PNPN 結(jié)構(gòu)成了可控硅結(jié)構(gòu)。 質(zhì)子或重粒子的入射可以觸發(fā)PNPN 結(jié)導(dǎo)通, 進(jìn)入大電流再生狀態(tài)， 產(chǎn)生單粒子閂鎖。 只有降低電源電壓才能退出閂鎖狀態(tài)。

　　單粒子功能中斷：質(zhì)子或重粒子入射時(shí)引起器件的控制邏輯出現(xiàn)故障， 進(jìn)而中斷正常的控制功能。FPGA 中單粒子功能中斷的敏感部分為配置存儲(chǔ)器、上電復(fù)位電路、 SelectMAP 接口和JATAG 接口。

　　單粒子燒毀：入射粒子產(chǎn)生的瞬態(tài)電流導(dǎo)致敏感的寄生雙極結(jié)晶體管導(dǎo)通。 雙極結(jié)晶體管的再生反饋機(jī)制造成收集結(jié)電流不斷增大，直至產(chǎn)生二次擊穿， 造成漏極和源極的永久短路，燒毀電路。 FPGA發(fā)生單粒子燒毀的概率較小。

　　單粒子瞬態(tài)脈沖：帶電粒子入射產(chǎn)生的瞬態(tài)電流脈沖影響到下一級(jí)邏輯電路的輸入， 造成該邏輯電路輸出紊亂。單粒子瞬態(tài)脈沖可能引起 FPGA 內(nèi)部邏輯電路的短時(shí)錯(cuò)誤。 單粒子瞬態(tài)脈沖對(duì)于＜0.25μM 工藝的 FPGA 影響較大。

　　位移損傷：?jiǎn)瘟Ｗ游灰茡p傷是單個(gè)粒子入射引起晶格原子移位、 形成缺陷群、引起的永久性損傷。

　　上述輻射效應(yīng)對(duì) FPGA 造成的影響有的是永久性的， 如總劑量效應(yīng)、 單粒子燒毀、 位移損傷； 有的是能夠恢復(fù)的， 如單粒子翻轉(zhuǎn)、 單粒子功能中斷、 單粒 子 瞬 態(tài) 脈 沖 。 以 上 單粒 子 效 應(yīng) 中 SEL、 SEB 和SEGR 均有可能對(duì)器件造成永久性損傷。 因此，一般星上系統(tǒng)都會(huì)采用抗 SEL 的器件。 SEU 和 SET 雖然是瞬時(shí)影響，但其發(fā)生率遠(yuǎn)高于以上 3 種， 反而更應(yīng)引起重視。 接下來根據(jù)對(duì)上述輻射影響的分析， 研究提高 FPGA 抗輻射效應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)方法。

　　隨著 SRAM 型的 FPGA 隨 著 工 藝 水 平 的 提 高 、規(guī)模的增大和器件核電壓的降低，抗總劑量效應(yīng)性能不斷提高， 但是更容易受 SEU 和 SET 的影響。

　　針對(duì) 單 粒 子 效 應(yīng) 的 問 題 ， MAPLD、 NSREC、RADECS 會(huì)議提交的報(bào)告認(rèn)為， Virtex-II 系列產(chǎn)品抗總 劑 量 輻 射 能 力 達(dá) 到 200krad， 抗 SEL 的 能力 為L(zhǎng)ET160MeV·cm/mg 以下無閂鎖， 同時(shí)， 需要考慮SEU、 SET、 SEFL 等單粒子效應(yīng)

　　4. 航天應(yīng)用 FPGA 的可靠性設(shè)計(jì)

　　在航天、空間電子設(shè)備中， FPGA 主要用于替換標(biāo)準(zhǔn)邏輯， 還用于 SOC 技術(shù)， 提供嵌人式微處理器、存儲(chǔ)器、 控制器 、 通信接口等 。 其中 ， 可靠性是FPGA 設(shè)計(jì)的主要需求。

　　根據(jù)功能及其重要性的不同，空間電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為關(guān)鍵與非關(guān)鍵兩大類，航天器控制為關(guān)鍵類，科學(xué)儀表為非關(guān)鍵類。航天器控制系統(tǒng)對(duì)FPGA的一般需求：高可靠、抗輻射加固和故障安全。科學(xué)儀器對(duì)FPGA的設(shè)計(jì)要求一般為高性能、耐輻射和失效安全，其可靠性則是由性能需求決定的，對(duì)FPGA的需求也因系統(tǒng)而異，如測(cè)量分辨率、帶寬、高速存儲(chǔ)、容錯(cuò)能力等。

　　航天用FPGA的可靠性設(shè)計(jì)主要通過器件自身的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

　　4.1FPGA 的硬件可靠性設(shè)計(jì)

　　FPGA的硬件可靠性設(shè)計(jì)主要是針對(duì)空間輻射效應(yīng)的影響，借助制造工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)較為徹底地解決了單粒子效應(yīng)防護(hù)問題。一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：FPGA整體設(shè)計(jì)加固、內(nèi)部設(shè)計(jì)間接檢測(cè)輻射效應(yīng)的自檢模塊、引入外部高可靠性的監(jiān)測(cè)模塊。

　　整體加固設(shè)計(jì)是指在電子設(shè)備的外面采用一定厚度的材料進(jìn)行整體輻射屏蔽，減少設(shè)備所受的輻射效應(yīng)，經(jīng)常采用的材料有鋁、鉭和脂類化合物等。這種方法在航天電子元器件中使用較多，也比較成熟。例如，作為美國(guó)軍用微電子產(chǎn)品主要供應(yīng)商的Honeywell，加固ASIC技術(shù)覆蓋范圍寬。Aeroflex采用“設(shè)計(jì)加固、商用IC工藝線流片”的方式提供性能先進(jìn)的加固ASIC產(chǎn)品，具備數(shù)模混合加固ASIC的研制能力。這種采用商業(yè)線流片生產(chǎn)軍用和加固微電子產(chǎn)品的技術(shù)線路，既有利于擺脫工藝加固對(duì)器件發(fā)展的約束，又有利于滿足用戶對(duì)先進(jìn)加固器件的需求，降低成本，縮短供貨時(shí)間。

　　Atmel為用戶提供了高性能、小尺寸、低功耗的各類器件的工藝資源，包括用于航天的耐輻照高速、低功耗數(shù)?；旌螩MOS工藝以及內(nèi)嵌EEPROM的CMOS工藝。國(guó)內(nèi)從事軍用微電子器件研制的單位很多，包括國(guó)有科研單位和非國(guó)有IC研制公司。但是，能夠完成抗輻照加固IC研制的單位并不多。國(guó)內(nèi)自行研制的加固ASIC產(chǎn)品已經(jīng)在衛(wèi)星中得到了成功應(yīng)用。

　　采用體硅外延層，也可以防止發(fā)生SEI。例如，Xilinx的virtex-II耐輻射產(chǎn)品是在軍品等級(jí)器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用外延襯底設(shè)計(jì)，抗總劑量電離效應(yīng)能力按照MIL-STD-883Method1019進(jìn)行批次采樣考核。

　　自檢模塊的目的是通過某些模塊的正常運(yùn)行來預(yù)測(cè)整個(gè)FPGA運(yùn)行的正常性。自檢模塊由分布在FPGA重要布線區(qū)域附近的簡(jiǎn)單邏輯電路實(shí)現(xiàn)，也可以由多模冗余模塊表決結(jié)果或者余數(shù)檢測(cè)法以及奇偶校驗(yàn)法等其他產(chǎn)生的結(jié)果直接提供輸出。

　　4.2FPGA 的軟件可靠性設(shè)計(jì)

　　航天應(yīng)用FPGA的軟件可靠性設(shè)計(jì)是指應(yīng)用軟件程序配置來屏蔽輻射效應(yīng)造成的運(yùn)行失常。其中，冗余設(shè)計(jì)方法是被公認(rèn)為比較可靠的對(duì)付輻射效應(yīng)的方法。 常用的冗余設(shè)計(jì)有三模冗余法(TMR， Triplemoduleredundancy) 和部分三模冗余法 (PTMR， Partialtriplemoduleredundancy)。 雖然 TMR 能夠提高系統(tǒng)的可靠性， 但也會(huì)使模塊速度降低、 占用資源和功率增加。 綜合考慮其他設(shè)計(jì)指標(biāo)， 可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)關(guān)鍵部分使用部分三模冗余法。

　　冗余結(jié)構(gòu)盡管可以保證系統(tǒng)可靠性，但卻不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤， 或?yàn)榘l(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤而引入了過多的組合邏輯，當(dāng)應(yīng)用于 FPGA 時(shí)， 增加了容錯(cuò)電路自身出錯(cuò)的可能性。除此之外， 星載系統(tǒng)無人值守的運(yùn)行特點(diǎn)使得系統(tǒng)重構(gòu)與故障恢復(fù)也非常困難。

　　對(duì)配置存儲(chǔ)器的回讀校驗(yàn)和重配置(或局部重配置) 是一種有效的抵抗輻射效應(yīng)的方法， 通過對(duì)部分配置的重加載能夠修復(fù) SEU 效應(yīng)造成的影響， 其頻率應(yīng)是最壞情況 SEU 效應(yīng)發(fā)生率的10 倍。 在重加載邏輯設(shè)計(jì)中， 需要對(duì)重加載的實(shí)現(xiàn)方式、 加載內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)， 并不是所有的內(nèi)容都可以重加載，也不是所有的內(nèi)容都需要重新配置。

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用高可靠性的反熔絲 FPGA負(fù)責(zé)從非易失大容量存儲(chǔ)器中讀取 XilinxFPGA 的配置數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行配置。 在運(yùn)行期間， 對(duì)最容易受輻射效應(yīng)影響的配置存儲(chǔ)器按列進(jìn)行讀操作， 然后與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)， 對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的列進(jìn)行局部重配置。

　　FPGA的可編程IO也容易受到輻射粒子影響產(chǎn)生 SEU 和 SEL。 對(duì)輸入輸出腳設(shè)計(jì)三模冗余設(shè)計(jì)方法是一種非常有效方法，但是這種方法將需要占用 3 倍的 I/O 資源。 如果 SET 作用在時(shí)鐘電路或者其他數(shù)據(jù)、 控制線上容易產(chǎn)生短脈沖抖動(dòng)， 有可能會(huì)造成電路的誤觸發(fā)或者數(shù)據(jù)鎖存的錯(cuò)誤，在設(shè)計(jì)時(shí)可采用同步復(fù)位設(shè)計(jì)內(nèi)部復(fù)位電路、控制線使能信號(hào)線， 邏輯數(shù)據(jù)在鎖存時(shí)盡可能配合使能信號(hào)。

　　5.FPGA航天應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

　　目前，在深微亞米半導(dǎo)體工藝下， 傳統(tǒng)的 FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)在器件良率、 功耗、 互聯(lián)線延時(shí)、信號(hào)完整性、 可測(cè)性設(shè)計(jì)等方面面臨挑戰(zhàn)[9]。 基于傳統(tǒng)技術(shù)的 FPGA 仍然在向高密度、 高性能、 低功耗的方向發(fā)展， 使得 FPGA 從最開始的通用型半導(dǎo)體器件向平臺(tái)化的系統(tǒng)級(jí)器件發(fā)展。 基于異步電路的 FPGA 設(shè)計(jì)、3D 集成技術(shù)、 新型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將是 FPGA 技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。

　　航天、空間應(yīng)用方面， 國(guó)外航天對(duì) FPGA 空間應(yīng)用的總結(jié)和預(yù)測(cè)分析表明， 空間應(yīng)用對(duì) FPGA 選用呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：

　　(1) 器件工作電壓從 5V 變?yōu)?nbsp;3.3V、 2.5V 甚至l.8V；

　　(2)從使用總劑量加固 FPGA 發(fā)展到使用耐總劑量 FPGA產(chǎn)品；

　　(3) 從 SEU 敏感寄存器 FPGA 的應(yīng)用發(fā)展為使用內(nèi)建寄存器 TMR 結(jié)構(gòu)的 FPGA；

　　(4) 從只使用一次編程的反熔絲型FPGA 發(fā)展為使用基于SRAM/EEPROM 的可重置型FPGA。

　　這種選用趨勢(shì)帶來的突出問題是：從寄存器對(duì)SEU 敏感變?yōu)?nbsp;FPGA 對(duì) SEU 敏感；配置存儲(chǔ) FPGA的設(shè)計(jì)復(fù)雜性已經(jīng)同 ASIC 的復(fù)雜程度相當(dāng)。

　　6.結(jié)論

　　本文對(duì)航天應(yīng)用中FPGA的使用進(jìn)行了綜述。分析了FPGA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)航天、空間環(huán)境的輻照條件，分析了航天應(yīng)用FPGA的失效模式及可靠性設(shè)計(jì)方法。最后，對(duì)航天應(yīng)用FPGA及其可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　FPGA技術(shù)調(diào)研報(bào)告

　　FPGA(Field-ProgrammableGateArray)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。

　　它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

　　FPGA市場(chǎng)前景誘人，行業(yè)技術(shù)壁壘較高。過去十多年時(shí)間里，英特爾、IBM、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星等60多家公司曾試圖涉足該領(lǐng)域，除英特爾以167億美元收購(gòu)Altera成功進(jìn)軍該領(lǐng)域之外，其余公司紛紛折戟沉沙。

　　FPGA企業(yè)市場(chǎng)份額分布

　　正是因此，全球FPGA市場(chǎng)基本被美國(guó)“2大2小”四家公司壟斷。國(guó)內(nèi)FPGA廠商大多處于比較艱難的發(fā)展階段，市場(chǎng)份額很低，全球FPGA芯片市場(chǎng)規(guī)模大約50億美元左右，其中中國(guó)約15億美元。由于行業(yè)的技術(shù)以及資本門檻比較高，美國(guó)廠商占據(jù)了壟斷地位，在中國(guó)15億美元的市場(chǎng)當(dāng)中，國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)品所占市場(chǎng)份額約2%。   

　　除了市場(chǎng)份額低之外，國(guó)內(nèi)廠商在技術(shù)水平上和國(guó)外大廠的差距也很大。雖然國(guó)內(nèi)FPGA廠商有百家爭(zhēng)鳴之勢(shì)，但基本分布在中低端市場(chǎng)，大多是一些1000萬門級(jí)左右的FPGA，少數(shù)達(dá)到2000萬門級(jí)的FPGA雖然也有自主研發(fā)的，有一些是逆向工程的產(chǎn)物，或商業(yè)收購(gòu)的結(jié)果。

　　雖然在很多方面，自主FPGA已經(jīng)解決了有無的問題。不過，在商用領(lǐng)域，體制內(nèi)單位的FPGA還很難替換掉英特爾的產(chǎn)品。畢竟在性能上，國(guó)內(nèi)單位和英特爾的FPGA差距還是非常大的。

　　        

　　快速成長(zhǎng)的FPGA市場(chǎng)

　　       

　　2018年全球FPGA市場(chǎng)約為60億美金左右，預(yù)計(jì)隨著AI+5G的應(yīng)用展開，市場(chǎng)容量有望在2025年達(dá)到125億美金左右的規(guī)模，年復(fù)合增長(zhǎng)率10.22%。

　　同時(shí)在亞太地區(qū)尤其在中國(guó)，新興基礎(chǔ)建設(shè)應(yīng)用的鋪開，F(xiàn)PGA的增速將有望顯著優(yōu)于其他地區(qū)，而成為FPGA重要的市場(chǎng)抓手。

　　在下游應(yīng)用領(lǐng)域，電子通訊仍然占據(jù)了主要的市場(chǎng)份額，達(dá)到40%左右，這其中5G+AI都是主要的需求；而增速最快的是汽車，CAGR將至13.1%。

　　從供應(yīng)鏈角度看，F(xiàn)PGA生產(chǎn)廠商處于整個(gè)電子行業(yè)的上游，并多數(shù)以Fabless的模式運(yùn)營(yíng)(Altera除外，已被英特爾收購(gòu)，屬于IDM)，F(xiàn)PGA同樣追求最先進(jìn)的工藝制程和節(jié)點(diǎn)，目前最先進(jìn)的FPGA采用7納米工藝制程。

　　FPGA行業(yè)是一個(gè)高進(jìn)入壁壘領(lǐng)域，市場(chǎng)前景誘人。由于FPGA軟件開發(fā)難度大，需要最先進(jìn)的制造封測(cè)工藝、IP多且雜，因此中國(guó)目前的發(fā)展存在嚴(yán)重滯后。

　　從信息、產(chǎn)業(yè)和國(guó)防安全等方面考慮，中國(guó)一定會(huì)加速FPGA的國(guó)產(chǎn)化，政府對(duì)國(guó)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會(huì)有一定力度的扶持。

　　此外在AI、LoT、5G快速發(fā)展的推動(dòng)下，中國(guó)將有龐大的FPGA增量市場(chǎng)。因此，這是國(guó)內(nèi)FPGA廠商快速切入的時(shí)機(jī)。

　　“5G+AI"帶來FPGA新增長(zhǎng)引擎 

　　        

　　FPGA在電子通信領(lǐng)域增加帶寬的應(yīng)用有望得到迅速擴(kuò)張，以5G+AI為主要應(yīng)用場(chǎng)景的需求將迅速提升FPGA的市場(chǎng)容量。 電子通訊領(lǐng)域的迅猛發(fā)展有望推動(dòng)FPGA市場(chǎng)的擴(kuò)張。智能手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備的不斷增長(zhǎng)增加了電子通訊網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

　　全世界范圍內(nèi)城市和農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量都在不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致了諸如3G、4GLTE和5G等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并產(chǎn)生了電子通訊領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)的旺盛需求。小到FPGA設(shè)備提供接口和控制功能，大到設(shè)備可以使用一個(gè)或多個(gè)FPGAs完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將硬IP集成到公共接口和處理功能中大大提高了FPGA在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的生產(chǎn)率。

　　此外，硅工藝的引入極大增加了邏輯單元的最大數(shù)量。這些特性使得FPGA在電信行業(yè)的應(yīng)用中具有吸引力。隨著人工智能領(lǐng)域等方面的展開，F(xiàn)PGA也受到了越來越多的異構(gòu)計(jì)算方面的青睞。人工智能算法所需要的復(fù)雜并行電路的設(shè)計(jì)思路適合用FPGA實(shí)現(xiàn)。

　　FPGA計(jì)算芯片布滿“邏輯單元陣列”，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊，輸入輸出模塊和內(nèi)部連線三個(gè)部分，相互之間既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的獨(dú)立基本邏輯單元。注意FPGA與傳統(tǒng)馮諾伊曼架構(gòu)的最大不同之處在于內(nèi)存的訪問。FPGA在本質(zhì)上是用硬件來實(shí)現(xiàn)軟件的算法，因此在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法方面有一些難度。

　　FPGA相對(duì)于傳統(tǒng)處理器有明顯的能耗優(yōu)勢(shì)，主要有兩個(gè)原因。首先，在FPGA中沒有取指令與指令譯碼操作，在英特爾的傳統(tǒng)處理器里面，由于使用的是CISC架構(gòu)，僅僅譯碼就占整個(gè)芯片能耗的50%。

　　其次，F(xiàn)PGA的主頻比傳統(tǒng)處理器低很多，通常傳統(tǒng)處理器的主頻在1GHz到3GHz之間，而FPGA的主頻一般在500MHz以下。如此大的頻率差使得FPGA消耗的能耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)處理器。英特爾收購(gòu)Altera，昭示著FPGA領(lǐng)域的變革，未來也將很快看到FPGA與個(gè)人應(yīng)用和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的整合。FPGA在功耗和性能上相對(duì)同等級(jí)的傳統(tǒng)處理器,有較大的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)處理器+FPGA在人工智能深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，將會(huì)是未來的一個(gè)重要發(fā)展方向。

　　       

　　在5G通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA是基站單元BBU里進(jìn)行數(shù)字計(jì)算的重要環(huán)節(jié)。

　　射頻前端信號(hào)在轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，需要使用FPGA來計(jì)算。FPGA提供軟件、硅、硬件等參考設(shè)計(jì)工具，這些工具允許用戶使用最少的HDL知識(shí)或任何其他FPGA特定語(yǔ)言開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。這些工具的使用使得基于FPGA的系統(tǒng)的速度已經(jīng)顯著增加。

　　FPGA的主要優(yōu)點(diǎn)是具有重新編程的靈活性，并兼具成本優(yōu)勢(shì)。它也能夠?qū)崿F(xiàn)任何ASICs能實(shí)現(xiàn)的邏輯功能。同時(shí)，應(yīng)用DSP和FPGA組合可使成本降低。對(duì)于無線基站，F(xiàn)PGA和DSP可編程邏輯的系統(tǒng)配分，可促使更大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和市場(chǎng)成功率。

　　基站的建設(shè)帶動(dòng)FPGA增長(zhǎng)

　　        

　　小基站需求迅速增長(zhǎng)，出貨量將超過2000萬個(gè)。

　　OroGroup發(fā)布了一份《移動(dòng)無線接入網(wǎng)五年預(yù)測(cè)報(bào)告》，該報(bào)告預(yù)測(cè)，接下來的5年時(shí)間里，運(yùn)營(yíng)商對(duì)于宏基站、小基站的需求將會(huì)是“迅猛式”，同時(shí)了解到,這份報(bào)告預(yù)測(cè)，基站出貨量將超過2000萬個(gè),5G新空口大規(guī)模天線陣列(MassiveMIMO)收發(fā)器的出貨量將超過5000萬個(gè)。

　　2018年美國(guó)小基站增速達(dá)560%。美國(guó)無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)(CTIA)近日發(fā)布市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告，其中顯示，截至2017年末，美國(guó)在網(wǎng)正常運(yùn)行的移動(dòng)通信基站總數(shù)量是32.3448萬個(gè)，在過去的10年時(shí)間中增加了52%;而且尤其這得一提的是，“基站的密集部署”成為發(fā)展趨勢(shì)---小基站數(shù)量從2017年的1.3萬個(gè)猛升至2018年的8.6萬個(gè)，增幅高達(dá)560%，而且預(yù)計(jì)在5G時(shí)代仍將保持高增速。

　　FPGA在通信發(fā)展中的重要地位，通訊的發(fā)展帶來FPGA量?jī)r(jià)齊升。

　　通信行業(yè)講的云主要包括核心網(wǎng)及各種服務(wù)器中心，在大數(shù)據(jù)和云計(jì)算沒有規(guī)模應(yīng)用之前，核心網(wǎng)設(shè)備里面基本沒有FPGA，因?yàn)楹诵木W(wǎng)所處理的協(xié)議其實(shí)非常標(biāo)準(zhǔn)化，變化不是太大，我們常見的2G-3G-4G以及即將到來的5G，其標(biāo)準(zhǔn)的核心部分實(shí)際上主要體現(xiàn)在物理層和邏輯層，而這些功能主要在管道(基站、基站控制、承載、傳輸?shù)犬a(chǎn)品)中實(shí)現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)變化快，各設(shè)備廠家為了搶占產(chǎn)品和技術(shù)的制高點(diǎn)，甚至在標(biāo)準(zhǔn)還未凍結(jié)之前就推出原型樣機(jī)甚至小批量，而這只有FPGA能做到。

　　一般來講越往終端側(cè)靠近，設(shè)備的數(shù)量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心網(wǎng)側(cè)用的FPGA數(shù)量越少，但FPGA芯片的型號(hào)越高端，單片更貴。

　　基站側(cè)用的FPGA總價(jià)高，隨著5G部署，全球基站數(shù)有望破億。

　　基站的量非常大，基站雖然和手機(jī)的量沒法比，但遠(yuǎn)多于核心網(wǎng)數(shù)量，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球存量基站有數(shù)千萬(5G部署后，可能會(huì)輕松破億)，每個(gè)基站里面有數(shù)塊到10數(shù)塊板子(根據(jù)配置不同而不同)，除了電源和風(fēng)扇板子沒有FPGA芯片外，幾乎每塊板子都有FPGA芯片，有的還不止一顆。

　　其次，基站里面用的FPGA型號(hào)也不會(huì)太低端，因?yàn)橐幚韽?fù)雜的物理協(xié)議、部分算法和邏輯控制，接口速率更是一個(gè)重要的考慮。

　　一般來講，基站中的芯片價(jià)格在一百到數(shù)千元人民幣不等。價(jià)格過高比如幾千甚至上萬人民幣的芯片，最多在初期原型驗(yàn)證用，不會(huì)大規(guī)模發(fā)貨。

　　最后，基站主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議中物理層、邏輯鏈路層的協(xié)議部分，這部分內(nèi)容每年都在升級(jí)，而且也比較適合FPGA來實(shí)現(xiàn)。

　　我們可以看到，一個(gè)5G基站對(duì)FPGA需求量幾乎是一個(gè)4G基站需求量的兩倍，5G基站硅的價(jià)值量約為4G基站的1.7倍，F(xiàn)PGA的價(jià)值量比4G基站多大約1000美元的價(jià)值量。

　　由此我們可以測(cè)算，將1000個(gè)4G基站替換成5G基站，帶來的FPGA的價(jià)值量提升約為100萬美元，據(jù)wind數(shù)據(jù)，中國(guó)移動(dòng)2016年的4G基站數(shù)就有151萬個(gè)；若直接新建1000個(gè)5G基站則將帶來接近300萬美元的價(jià)值增量，而現(xiàn)在的基站存量就有幾千萬個(gè)。隨著基站出貨量的激烈增長(zhǎng)及5G的部署，F(xiàn)PGA將迎來迅猛的增長(zhǎng)。

　　英特爾®FPGA中國(guó)創(chuàng)新中心

　　英特爾®FPGA中國(guó)創(chuàng)新中心以中國(guó)西部硅谷重慶市作為建設(shè)中心，同時(shí)通過FPGA云接入平臺(tái)及戰(zhàn)略合作計(jì)劃聯(lián)結(jié)中國(guó)廣大生態(tài)合作伙伴，共同打造圍繞FPGA技術(shù)為核心的科技創(chuàng)新中心。中心將全力助推中國(guó)FPGA生態(tài)建設(shè)，培育研發(fā)人才，孵化創(chuàng)新項(xiàng)目，加速FPGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展及應(yīng)用落地，推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深度融合，為新一輪科技創(chuàng)新添加新動(dòng)能。

　　FPGA技術(shù)調(diào)研報(bào)告

　　FPGA(Field-ProgrammableGateArray)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。

　　它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

　　FPGA芯片由輸入/輸出塊、可配置邏輯塊和可編程互聯(lián)三部分組成，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能，因此FPGA的使用非常靈活。

　　FPGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。它的應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天/國(guó)防、消費(fèi)電子、工業(yè)、電子通訊等。

　　架構(gòu)方面，F(xiàn)PGA擁有大量的可編程邏輯單元，可以根據(jù)客戶定制來做針對(duì)性的算法設(shè)計(jì)。除此以外，在處理海量數(shù)據(jù)的時(shí)候，F(xiàn)PGA相比于CPU和GPU，獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)在于:FPGA更接近IO。換句話說，F(xiàn)PGA是硬件底層的架構(gòu)。

　　比如，數(shù)據(jù)采用GPU計(jì)算，它先要進(jìn)入內(nèi)存，并在CPU指令下拷入GPU內(nèi)存，在那邊執(zhí)行結(jié)束后再拷到內(nèi)存被CPU繼續(xù)處理，這過程并沒有時(shí)間優(yōu)勢(shì);

　　而使用FPGA的話，數(shù)據(jù)I/O接口進(jìn)入FPGA，在里面解幀后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或預(yù)處理，然后通過PCIE接口送入內(nèi)存讓CPU處理，一些很底層的工作已經(jīng)被FPGA處理完畢了(FPGA扮演協(xié)處理器的角色)，且積累到一定數(shù)量后以DMA形式傳輸?shù)絻?nèi)存，以中斷通知CPU來處理，這樣效率就高得多。

　　性能方面，雖然FPGA的頻率一般比CPU低，但CPU是通用處理器，做某個(gè)特定運(yùn)算(如信號(hào)處理，圖像處理)可能需要很多個(gè)時(shí)鐘周期，而FPGA可以通過編程重組電路，直接生成專用電路，加上電路并行性，可能做這個(gè)特定運(yùn)算只需要一個(gè)時(shí)鐘周期。

　　比如一般CPU每次只能處理4到8個(gè)指令，在FPGA上使用數(shù)據(jù)并行的方法可以每次處理256個(gè)或者更多的指令，讓FPGA可以處理比CPU多很多的數(shù)據(jù)量。

　　舉個(gè)例子，CPU主頻3GHz，F(xiàn)PGA主頻200MHz，若做某個(gè)特定運(yùn)算CPU需要30個(gè)時(shí)鐘周期，F(xiàn)PGA只需一個(gè)，則耗時(shí)情況:CPU:30/3GHz=10ns;FPGA:1/200MHz=5ns?？梢钥吹?，F(xiàn)PGA做這個(gè)特定運(yùn)算速度比CPU塊，能幫助加速。

　　▌快速成長(zhǎng)的FPGA市場(chǎng)

　　2018年全球FPGA市場(chǎng)約為60億美金左右，預(yù)計(jì)隨著AI+5G的應(yīng)用展開，市場(chǎng)容量有望在2025年達(dá)到125億美金左右的規(guī)模，年復(fù)合增長(zhǎng)率10.22%。

　　同時(shí)在亞太地區(qū)尤其在中國(guó)，新興基礎(chǔ)建設(shè)應(yīng)用的鋪開，F(xiàn)PGA的復(fù)合增速將有望顯著優(yōu)于其他地區(qū)，而成為FPGA重要的市場(chǎng)抓手。

　　在下游應(yīng)用領(lǐng)域，電子通訊仍然占據(jù)了主要的市場(chǎng)份額，達(dá)到40%左右，這其中5G+AI都是主要的需求;而增速最快的是汽車，CAGR將至13.1%。

　　從供應(yīng)鏈角度看，F(xiàn)PGA生產(chǎn)廠商處于整個(gè)電子行業(yè)的上游，并多數(shù)以Fabless的模式運(yùn)營(yíng)(Altera除外，已被Intel收購(gòu)，屬于IDM)，F(xiàn)PGA同樣追求最先進(jìn)的工藝制程和節(jié)點(diǎn)，目前最先進(jìn)的FPGA采用7nm工藝制程，由Xilinx率先發(fā)布，臺(tái)積電制造。

　　目前FPGA的主要產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商仍然集中在歐美地區(qū)，以Altera(被Intel收購(gòu))，和Xilinx兩家為主。兩家合計(jì)額的市場(chǎng)份額占到72%。

　　FPGA行業(yè)是一個(gè)高進(jìn)入壁壘領(lǐng)域，市場(chǎng)前景誘人。由于FPGA軟件開發(fā)難度大，需要最先進(jìn)的制造封測(cè)工藝、IP多且雜，因此中國(guó)目前的發(fā)展存在嚴(yán)重滯后。

　　從信息、產(chǎn)業(yè)和國(guó)防安全等方面考慮，中國(guó)一定會(huì)加速FPGA的國(guó)產(chǎn)化，政府對(duì)國(guó)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會(huì)有一定力度的扶持。

　　此外在AI、LoT、5G快速發(fā)展的推動(dòng)下，中國(guó)將有龐大的FPGA增量市場(chǎng)。因此，這是國(guó)內(nèi)FPGA廠商快速切入的時(shí)機(jī)。

　　國(guó)內(nèi)FPGA廠商有上海復(fù)旦微，紫光同創(chuàng)、京微雅格、高云半導(dǎo)體、上海安路、西安智多晶等，但是同國(guó)外領(lǐng)先廠商相比，國(guó)產(chǎn)FPGA廠商不論從產(chǎn)品性能、功耗、功能上都有較大差距。

　　▌“5G+AI”帶來FPGA新增長(zhǎng)引擎

　　FPGA在電子通信領(lǐng)域增加帶寬的應(yīng)用有望得到迅速擴(kuò)張，以5G+AI為主要應(yīng)用場(chǎng)景的需求將迅速提升FPGA的市場(chǎng)容量。

　　電子通訊領(lǐng)域的迅猛發(fā)展有望推動(dòng)FPGA市場(chǎng)的擴(kuò)張。智能手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備的不斷增長(zhǎng)增加了電子通訊網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

　　全世界范圍內(nèi)城市和農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量都在不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致了諸如3G、4GLTE和5G等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并產(chǎn)生了電子通訊領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)的旺盛需求。

　　與FPGAs耦合的設(shè)備高帶寬收發(fā)器被用來滿足這一需求。

　　小的FPGA設(shè)備提供接口和控制功能，大的設(shè)備可以使用一個(gè)或多個(gè)FPGAs完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　將硬IP集成到公共接口和處理功能中大大提高了FPGA在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的生產(chǎn)率。

　　此外，硅工藝的引入極大增加了邏輯單元的最大數(shù)量。這些特性使得FPGA在電信行業(yè)的應(yīng)用中具有吸引力。

　　隨著人工智能領(lǐng)域等方面的展開，F(xiàn)PGA也受到了越來越多的異構(gòu)計(jì)算方面的青睞。人工智能算法所需要的復(fù)雜并行電路的設(shè)計(jì)思路適合用FPGA實(shí)現(xiàn)。

　　FPGA計(jì)算芯片布滿“邏輯單元陣列”，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊，輸入輸出模塊和內(nèi)部連線三個(gè)部分，相互之間既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的獨(dú)立基本邏輯單元。

　　注意FPGA與傳統(tǒng)馮諾伊曼架構(gòu)的最大不同之處在于內(nèi)存的訪問。FPGA在本質(zhì)上是用硬件來實(shí)現(xiàn)軟件的算法，因此在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法方面有一些難度。

　　FPGA相對(duì)于CPU與GPU有明顯的能耗優(yōu)勢(shì)，主要有兩個(gè)原因。首先，在FPGA中沒有取指令與指令譯碼操作，在Intel的CPU里面，由于使用的是CISC架構(gòu)，僅僅譯碼就占整個(gè)芯片能耗的50%;在GPU里面，取指令與譯碼也消耗了10%~20%的能耗。

　　其次，F(xiàn)PGA的主頻比CPU與GPU低很多，通常CPU與GPU都在1GHz到3GHz之間，而FPGA的主頻一般在500MHz以下。如此大的頻率差使得FPGA消耗的能耗遠(yuǎn)低于CPU與GPU。

　　Intel167億美元收購(gòu)Altera，IBM與Xilinx的合作，都昭示著FPGA領(lǐng)域的變革，未來也將很快看到FPGA與個(gè)人應(yīng)用和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的整合。

　　FPGA在功耗和性能上相對(duì)同等級(jí)的CPU,有較大的優(yōu)勢(shì)。CPU+FPGA在人工智能深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，將會(huì)是未來的一個(gè)重要發(fā)展方向。

　　在5G通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA是基站單元BBU里進(jìn)行數(shù)字計(jì)算的重要環(huán)節(jié)。

　　射頻前端信號(hào)在轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，需要使用FPGA來計(jì)算。

　　FPGA提供軟件、硅、硬件等參考設(shè)計(jì)工具，這些工具允許用戶使用最少的HDL知識(shí)或任何其他FPGA特定語(yǔ)言開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。這些工具的使用使得基于FPGA的系統(tǒng)的速度已經(jīng)顯著增加。

　　FPGAs的主要優(yōu)點(diǎn)是具有重新編程的靈活性，并兼具成本優(yōu)勢(shì)。

　　它也能夠?qū)崿F(xiàn)任何ASICs能實(shí)現(xiàn)的邏輯功能。同時(shí)，應(yīng)用DSP和FPGA組合可使成本降低。對(duì)于無線基站，F(xiàn)PGA和DSP可編程邏輯的系統(tǒng)配分，可促使更大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和市場(chǎng)成功率。

　　▌基站的建設(shè)帶動(dòng)FPGA增長(zhǎng)

　　小基站需求迅速增長(zhǎng)，出貨量將超過2000萬個(gè)。

　　Dell'OroGroup發(fā)布了一份《移動(dòng)無線接入網(wǎng)五年預(yù)測(cè)報(bào)告》，該報(bào)告預(yù)測(cè)，接下來的5年時(shí)間里，運(yùn)營(yíng)商對(duì)于宏基站、小基站的需求將會(huì)是“迅猛式”，同時(shí)了解到,這份報(bào)告預(yù)測(cè)，基站出貨量將超過2000萬個(gè),5G新空口大規(guī)模天線陣列(MassiveMIMO)收發(fā)器的出貨量將超過5000萬個(gè)。

　　2018年美國(guó)小基站增速達(dá)560%。美國(guó)無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)(CTIA)近日發(fā)布市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告，其中顯示，截至2017年末，美國(guó)在網(wǎng)正常運(yùn)行的移動(dòng)通信基站總數(shù)量是32.3448萬個(gè)，在過去的10年時(shí)間中增加了52%;而且尤其這得一提的是，“基站的密集部署”成為發(fā)展趨勢(shì)---小基站數(shù)量從2017年的1.3萬個(gè)猛升至2018年的8.6萬個(gè)，增幅高達(dá)560%，而且預(yù)計(jì)在5G時(shí)代仍將保持高增速。

　　FPGA在通信發(fā)展中的重要地位，通訊的發(fā)展帶來FPGA量?jī)r(jià)齊升。

　　通信行業(yè)講的云主要包括核心網(wǎng)及各種服務(wù)器中心，在大數(shù)據(jù)和云計(jì)算沒有規(guī)模應(yīng)用之前，核心網(wǎng)設(shè)備里面基本沒有FPGA，因?yàn)楹诵木W(wǎng)所處理的協(xié)議其實(shí)非常標(biāo)準(zhǔn)化，變化不是太大，我們常見的2G-3G-4G以及即將到來的5G，其標(biāo)準(zhǔn)的核心部分實(shí)際上主要體現(xiàn)在物理層和邏輯層，而這些功能主要在管道(基站、基站控制、承載、傳輸?shù)犬a(chǎn)品)中實(shí)現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)變化快，各設(shè)備廠家為了搶占產(chǎn)品和技術(shù)的制高點(diǎn)，甚至在標(biāo)準(zhǔn)還未凍結(jié)之前就推出原型樣機(jī)甚至小批量，而這只有FPGA能做到。

　　一般來講越往終端側(cè)靠近，設(shè)備的數(shù)量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心網(wǎng)側(cè)用的FPGA數(shù)量越少，但FPGA芯片的型號(hào)越高端，單片更貴。

　　基站側(cè)用的FPGA總價(jià)高，隨著5G部署，全球基站數(shù)有望破億。

　　基站的量非常大，基站雖然和手機(jī)的量沒法比，但遠(yuǎn)多于核心網(wǎng)數(shù)量，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球存量基站有數(shù)千萬(5G部署后，可能會(huì)輕松破億)，每個(gè)基站里面有數(shù)塊到10數(shù)塊板子(根據(jù)配置不同而不同)，除了電源和風(fēng)扇板子沒有FPGA芯片外，幾乎每塊板子都有FPGA芯片，有的還不止一顆。

　　其次，基站里面用的FPGA型號(hào)也不會(huì)太低端，因?yàn)橐幚韽?fù)雜的物理協(xié)議、部分算法和邏輯控制，接口速率更是一個(gè)重要的考慮。

　　一般來講，基站中的芯片價(jià)格在一百到數(shù)千元人民幣不等。價(jià)格過高比如幾千甚至上萬人民幣的芯片，最多在初期原型驗(yàn)證用，不會(huì)大規(guī)模發(fā)貨。

　　最后，基站主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議中物理層、邏輯鏈路層的協(xié)議部分，這部分內(nèi)容每年都在升級(jí)，而且也比較適合FPGA來實(shí)現(xiàn)。

　　我們可以看到，一個(gè)5G基站對(duì)FPGA需求量幾乎是一個(gè)4G基站需求量的兩倍，5G基站硅的價(jià)值量約為4G基站的1.7倍，F(xiàn)PGA的價(jià)值量比4G基站多大約1000美元的價(jià)值量。

　　由此我們可以測(cè)算，將1000個(gè)4G基站替換成5G基站，帶來的FPGA的價(jià)值量提升約為100萬美元，據(jù)wind數(shù)據(jù)，中國(guó)移動(dòng)2016年的4G基站數(shù)就有151萬個(gè);若直接新建1000個(gè)5G基站則將帶來接近300萬美元的價(jià)值增量，而現(xiàn)在的基站存量就有幾千萬個(gè)。隨著基站出貨量的激烈增長(zhǎng)及5G的部署，F(xiàn)PGA將迎來迅猛的增長(zhǎng)。

本文來源：http://628568.com/fanwen/192345.html