作者：Steve Trimberger，赛灵思公司，美国电子电气工程师协会 (IEEE) 研究员、美国核算机协会 (ACM) 院士、美国国家工程院院士
FPGA 器材自面世以来,现现已过了几个不同的开展阶段。驱动每个阶段开展的要素都是工艺技能和运用需求。正是这些驱动要素，导致器材的特性和东西发生了显着的改动。FPGA 阅历了如下几个年代：
● 创造年代;
● 扩展年代;
● 堆集年代;
● 体系年代。
赛灵思于 1984 年创造了世界首款 FPGA，那个时候还不叫 FPGA，直到 1988 年 Actel 才让这个词盛行起来。接下来的 30 年里，这种名为 FPGA 的器材，在容量上提升了一万多倍，速度提升了 一百倍，每单位功用的本钱和能耗下降了一万多倍 (见图 1)。
图 1：与 1988 年的赛灵思 FPGA 特征比照。价格和功耗下降一万倍。
这些前进主要由工艺技能所驱动， 并且人们很简略以为 FPGA 的开展仅仅跟着工艺的开展简略地增大了容量。其实并没有这么简略。真实的故事要精彩得多。
1、创造年代(1984 年 – 1992 年)
首款 FPGA，即赛灵思 XC2064，只包含 64 个逻辑模块，每个模块含有两个 3 输入查找表 (LUT) 和一个寄存器。依照现在的核算，该器材有 64 个逻辑单元——缺乏 1000 个逻辑门。虽然容量很小，XC2064 晶片的尺度却非常大，比其时的微处理器还要大;并且选用 2.5 微米工艺技能牵强能制作出这种器材。
每功用的晶片尺度和本钱至关重要。XC2064 只需 64 个触发器，但由于晶片太大，本钱高达数百美元。产值对大晶片来说是超线性的，因而晶片尺度添加 5% 就会让本钱翻一倍，让良率降至零，一起也导致初期的赛灵思无产品可卖。本钱操控不仅仅是本钱优化的问题;更是牵扯到公司生计问题。
在本钱压力下，FPGA 架构师寻求经过架构和工艺立异来尽或许进步 FPGA 规划功率。虽然根据 SRAM 的 FPGA 是可重编程的，可是片上 SRAM 占有了 FPGA 大部分的晶片面积。根据反熔丝的 FPGA 以献身可重编程才干为价值，避免了 SRAM 存储体系片上占位面积过大问题。1990 年，最大容量的 FPGA 是根据反熔丝的 Actel 1280。Quicklogic 和 Crosspoint 也跟从 Actel 的脚步开宣布根据反熔丝的 FPGA。为进步功率，架构阅历了从杂乱的 LUT 结构到 NAND 门再到单个晶体管的演化。
在创造年代，FPGA 是数量远远比用户的运用产品小得多。因而，多 FPGA 体系变得盛行，主动化多芯片分区软件成为 FPGA 规划套件的重要组成部分。主动布局布线没有有。彻底不同的 FPGA 架构排除了通用规划东西的或许，因而 FPGA 厂商就背负起了为各自器材开发电子规划主动化 (EDA) 的使命。由于问题比较小，FPGA(逻辑和物理)手动规划是能够承受的。手动规划与优化一般很有必要，由于芯片上布线资源有限会带来很大规划应战。
2、扩展年代(1992 年 – 1999 年)
FPGA 草创公司都是无晶圆厂的公司，在其时归于新鲜事物。由于没有晶圆厂，他们在上世纪 90 年代初期一般无法取得抢先的芯片技能。因而 FPGA 敞开了扩展年代，此刻落后于 IC 工艺的开展。到上世纪 90 年代后期，IC 代工厂意识到 FPGA 是抱负的工艺开展推进要素，由此 FPGA 成为打扫工艺开展妨碍的利器。代工厂只需能用新工艺产出晶体管和电线，就能制作根据 SRAM 的 FPGA。每一代新工艺的呈现都会将晶体管数量添加一倍，使每功用本钱折半，并将最大 FPGA 的尺度增大一倍。化学-机械抛光(CMP)技能答应代工厂在 IC 上堆叠更多金属层，使 FPGA 厂商能够大幅添加片上互联，以习惯更大的 LUT 容量 (见图 2)。
图 2：FPGA LUT 和互连线路的添加。线路长度以数百万晶体管距离来丈量。
占位面积变得不再像创造年代时那么名贵。现在，占位面积可让坐落功用、特性和易用性。更大的 FPGA 规划需求具有主动布局布线功用的归纳东西。 到上世纪 90 年代末，主动归纳、布局和布线现已成为规划流程的必要过程。FPGA 公司的命运对 EDA 东西的依靠程度不亚于对 FPGA 功用的依靠程度。
最重要的是，完成容量翻番和片上 FPGA 逻辑本钱折半的最简略办法是选用新一代工艺技能节点，因而，尽早选用新的工艺节点含义特殊。根据 SRAM 的 FPGA 在这个时期完成了显着的产品优势，由于它们首先选用了每种新工艺节点：根据 SRAM 的器材可当即运用密度更高的新工艺，而反熔丝在新节点上的验证作业则额定需求数月乃至数年时刻。根据反熔丝的 FPGA 丧失了竞赛优势。为取得上市速度和本钱优势，架构立异与工艺改善比较就要退居其次。
3、堆集年代(2000 年 – 2007 年)
新千年伊始，FPGA 已成为数字体系中的通用组件。容量和规划尺度快速添加，FPGA 在数据通讯范畴拓荒了巨大商场。2000年代初期互联网泡沫幻灭之后，迫切需求下降本钱，这也减少了许多“暂时”AS%&&&&&% 用户。定制芯片对小的研制团队来说危险太大。当他们发现FPGA能够处理他们的问题，天然他们就变成了 FPGA 用户。
FPGA 问题不局限于典型问题，单纯进步容量缺乏以确保商场增加。FPGA 厂商经过如下两种方法处理了这一应战。针对低端商场，厂商再度重视功率问题，并出产低容量、低功用、“低本钱”的 FPGA 系列，例如赛灵思 Spartan® FPGA 系列。针对高端商场，FPGA 厂商经过开发针对重要功用的软逻辑 (IP) 库，尽力让客户更方便地填充最大的 FPGA。这些软逻辑功用中最值得注意的是存储器操控器、各种通讯协议模块(包含以太网 MAC)，乃至软微处理器(如赛灵思 MicroBlaze™ 处理器)。
规划特点在 2000 年代发生了改动。大型 FPGA 包容超大型规划(完好子体系)。FPGA 用户不再仅仅完成逻辑;他们需求使 FPGA 规划契合体系规范要求。这些规范主要是指信号和协议方面的通讯规范，可用来衔接外部组件或许完成内部模块通讯。处理规范让 FPGA 在核算密集型运用中发挥越来越重要的效果。堆集年代晚期，FPGA 已不仅是门阵列，并且仍是集成有可编程逻辑的杂乱功用集。FPGA 俨然变成了一个体系。
4、体系年代(2008 年今后)
为处理体系规划问题，FPGA 越来越多地整合体系模块：高速收发器、存储器、DSP 处理单元和完好处理器。一起还进一步集成了重要操控功用：比特流加密与验证、混合信号处理、电源与温度监控以及电源办理等。这些特性在 Zynq All Programmable 器材中得到了充分体现。一起，器材也推进了东西的开展。体系 FPGA 需求高效的体系编程言语，现可利用 OpenCL 和 C 言语以相似软件的流程来编程。
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