FPGA历史演进与现代应用：从门电路到25亿晶体管

FPGA概要——浙江大学生物医学工程学院 本文档探讨了FPGA（Field-Programmable Gate Array）的历史发展及其在信息技术领域的重要地位。FPGA的发展历程可以追溯到1960年代，那时电子设备主要由一个个独立的晶体管组成。随着技术的进步，从单个集成电路（SSI, MSI, LSI）到大规模集成电路（10,000个晶体管），再到PLDs（可编程逻辑器件）如PLAs和PALs的出现，标志着早期可定制化设计的开始。 进入1980年代，随着16位和32位处理器（超过1,000,000个晶体管）的崛起，FPGA作为一种半定制芯片开始崭露头角，能够根据需要灵活配置。到了1990年代，FPGA的技术进一步发展，支持全定制芯片和门阵列，集成度显著提升，晶体管数量达到上亿级别，比如Intel的Itanium和Altera的Stratix IV系列。 摩尔定律（Moore's Law）在这期间起到了关键作用，它描绘了半导体芯片集成度每两年翻一番的趋势，从1981年的10,000个晶体管增长到2009年的2,500,000,000个，这使得FPGA能够在性能和复杂度上不断跃升。 FPGA的核心是可编程逻辑器件，包括基本的门电路和触发器，它们构成逻辑功能部件，如计数器、译码器和加法器等，这些单元组合起来就能实现各种复杂的数字系统。数字系统设计通常涉及明确需求，确定功能模块，以及采用适当的架构来实现设计目标。 FPGA设计方法介绍中提到，设计师首先要理解并定义系统的需求，然后选择合适的逻辑结构，进行逻辑功能设计，再将这些功能模块整合成一个完整的可编程系统。通过FPGA，工程师可以实现高度灵活性，能在硬件层面快速原型化和优化，这是传统微处理器难以比拟的优势。 总结来说，本文档概述了FPGA技术从起源到现代的演变过程，强调了其在复杂电子系统设计中的重要性，并介绍了数字系统设计的基本流程，突出了FPGA在满足不断增长的计算需求和适应性方面的重要角色。