5000字！FPGA开发必须知道的五件事 FPGA（Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列）是一种可以重构电路的芯片，是一种硬件可重构的体系结构。它是在PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 鉴于其可编辑，更灵活；产品上市时间短，节省了ASIC流片周期；避免一次性工程费用，用量较小时具有成本优势等特点，FPGA现已广泛应用于原型验证、通信、汽车电子、工业控制、航空航天、数据中心等领域。 一、FPGA的技术发展历程 FPGA技术从发明到现在已经经历了三十多年的发展历程，其核心价值是可编程性和灵活性。随着工艺技术、系统设计和应用创新的不断进步，FPGA技术也在不断创新和集成，实现了从逻辑器件到系统平台的转变。 根据智慧芽生成的技术路线图可见，在近十多年间，随着5G、人工智能、云计算等新技术的快速发展和广泛应用，对于FPGA等可编程逻辑器件的需求也越来越大。 为了解决系统设计问题，FPGA越来越多地整合系统模块：高速收发器、存储器、DSP处理单元和完整处理器。同时还进一步集成了重要控制功能：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管理等。这些特性在Xilinx的Zynq系列和Intel的Arria系列中得到了充分体现。同时，器件也推动了工具的发展。系统FPGA需要高效的系统编程语言，现可利用OpenCL和C语言以类似软件的流程来编程。FPGA正在越来越多地取代传统上ASIC，在小批量、个性化的产品市场方面具有明显优势。 二、FPGA的基本架构 自Xilinx公司于1984年发明了世界首款基于SRAM可编程技术的FPGA至今，FPGA的基本架构已经确定，主要包括以下几个部分： 可编程输入输出单元（IOB）：IOB是FPGA与外部设备进行信号交互的接口，可以支持多种电气标准和协议，如LVCMOS、LVDS、PCIe等。IOB可以配置为输入、输出或双向模式，可以实现信号缓冲、锁存、延迟等功能。 可配置逻辑块（CLB）：CLB是FPGA实现逻辑功能的基本单元，每个CLB由两个SLICE组成，每个SLICE包含4个LUT（查找表）、8个寄存器、3个MUX（多路选择器）和一个CARRY4（进位链）。LUT可以实现任意6输入1输出的布尔函数，也可以用作分布式RAM或移位寄存器。寄存器可以实现数据锁存和同步功能。MUX可以将LUT扩展为7输入或8输入的选择器。CARRY4可以实现高速的加法、减法、比较等算术运算。 嵌入式块RAM（BRAM）：BRAM是FPGA内部提供的大容量存储资源，可以用作数据缓存、队列、FIFO等应用。BRAM有18K和36K两种规格，可以配置为不同的位宽和深度，支持单口或双口模式，也可以级联成更大的存储空间。 布线资源：布线资源是FPGA内部连接各种资源的网络，包括水平布线、垂直布线、长线、超长线等不同类型和长度的布线。布线资源通过开关矩阵（switch matrix）进行连接和分配，开关矩阵由可编程的开关组成，可以实现灵活的布线方案。 底层内嵌功能单元：底层内嵌功能单元是FPGA内部提供的一些特殊功能模块，如数字时钟管理（DCM）、相位锁定环（PLL）、延迟锁定环（DLL）、全局时钟网络（GCLK）、全局置位网络（GRST）等。这些功能单元可以实现时钟生成、分频、相位调整、延迟补偿、时钟分配、复位分配等功能，提高了FPGA的性能和稳定性。 内嵌专用硬核：内嵌专用硬核是FPGA内部集成的一些专用功能模块，如乘法器、除法器、DSP（数字信号处理器）、微处理器、PCIe控制器、以太网控制器等。这些硬核可以提供高效的计算和通信能力，降低了FPGA的逻辑资源消耗和功耗。 三、FPGA开发流程 FPGA的开发流程是利用EDA（Electronic Design Automation）开发软件和编程工具对FPGA芯片进行开发的过程，主要步骤如下： 1）功能定义/器件选型：这个步骤主要进行方案验证、系统设计和FPGA芯片选型等准备工作。根据任务要求，评估系统的指标和复杂度，对工作速度和芯片本身的资源、成本等方面进行权衡，选择合理的设计方案和合适的器件类型。这个阶段往往会花费大量的时间，这个阶段之后一般已经完成了系统建模，功能划分，模块划分以及设计文档的撰写等工作。 2）设计输入：这个步骤是将划分好的各功能模块用硬件描述语言（HDL）表达出来，常用的硬件描述语言有Verilog HDL和VHDL。以后的教程中我们主要讲解如何使用Verilog HDL进行FPGA设计。设计输入方式有三种形式：IP核、原理图、HDL。IP核是实现一定功能的模块，可以形成一个项目。原理图是一种最直接的描述方式，在可编程芯片发展的早期应用比较广泛，它将所需的器件从元件库中调出来，画出原理图。HDL是利用文本描述设计，可以分为普通HDL和行为HDL。普通HDL有ABEL、CUR等 ，支持逻辑方程、真值表和状态机等表达方式， 主要用于简单的小型设计 。而在中大型工程中，主要使用行为HDL，其主流语言是Verilog HDL和VHDL 。这两种语言都是美国电气与电子工程师协会 (IEEE)的标准，其共同的突出特点有：语言与芯片工艺无关，利于自顶向下设计，便于模块的划分与移植，可移植性好，具有很强的逻辑描述和仿真功能，而且输入效率很高。 3）功能仿真：这个步骤是在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延迟信息，仅对初步的功能进行检测。仿真前，要先利用波形编辑器和HDL等建立波形文件和测试向量 (即将所关心的输入信号组合成序列)，仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形，从中便可以观察各个节点信号的变化。如果发现错误，则返回设计修改逻辑设计。 4）逻辑综合：这个步骤是将高级抽象层次的语言描述转化成较低层次的电路结构。也就是说将硬件描述语言描述的电路逻辑转化成与门、或门、非门、触发器等基本逻辑单元的互连关系，也就是我们常说的门级网表。综合是创造性的转化过程，它不但能翻译我们的电路，还能够优化我们的电路，比如去除电路描述中冗余的电路结构，或者复用功能相同的电路结构。综合的目标和要求可以通过约束文件来指定，比如时序约束、面积约束、功耗约束等。 5）前仿真：这个步骤也叫做综合后仿真，仿真时，把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中去。因为综合后只能体现基本的逻辑门之间的互连关系，并不是实物电路，没有连线长度信息，所以前仿真只能评估门延时带来的影响，不能估计路径延时，前仿真结果和布线后实际情况还有一定的差距，并不十分准确。目前的综合工具较为成熟，一般的设计可以省略这一步。但如果布局布线后发现电路功能与设计意图不符，就需要回溯到前仿真来确定问题所在。 6）实现与布局布线：这个步骤是将综合生成的逻辑网表配置到具体的FPGA芯片上，布局布线是其中最重要的过程。布局将逻辑网表中的硬件原语和底层单元合理地配置到芯片内部的固有硬件结构上，并且往往需要在速度最优和面积最优之间作出选择。布线根据布局的拓扑结构，利用芯片内部的各种连线资源，合理正确地连接各个元件。布局布线后就可以进行静态时序分析了，静态时序分析的方法是在布局布线后的实际电路中寻找寄存器和寄存器之间的最长路径延迟，通过最大延迟可以得出系统最大时钟速率。 7）后仿真：这个步骤也称为时序仿真，是将布局布线的延时信息反标注到设计网表中来检测有无时序违规现象（即不满足时序约束条件或者器件固有的时序规则，如建立时间、保持时间等）。经过布局布线后，门与门之间的连线长度也确定了，所以后仿真包含的延迟信息最全，也最精确，能更好地反映芯片的实际工作情况。 8）板级仿真与验证：这个步骤主要应用于高速电路设计中，对高速系统的信号完整性、电磁干扰等特征进行分析。板级仿真需要利用专业的软件工具和仪器设备来进行。 9）芯片编程与调试：这个步骤是设计的最后一步，将EDA软件产生的数据文件（位数据流文件）下载到FPGA芯片中，进行实际的测试。芯片编程需要满足一定的条件，如编程电压、编程时序和编程算法等方面。调试时，需要利用逻辑分析仪、示波器等仪器设备来观察和分析芯片的工作状态，检查是否有功能错误或性能问题，如果有，就需要返回到前面的步骤进行修改和优化。 四、FPGA的设计方法和技巧 FPGA的设计方法有两种：自上而下和自下而上。自上而下是指从整体功能出发，逐步细化到各个模块，再实现每个模块的细节。这种方法有利于保持设计的一致性和完整性，但可能导致资源浪费和性能降低。自下而上是指从最基本的模块开始，逐步组合成复杂的功能，再整合到整体设计中。这种方法有利于优化资源和性能，但可能导致设计的复杂度和难度增加。无论采用哪种方法，都需要注意以下几个技巧： 1）遵循良好的编码规范：编码规范是指一套约定俗成的编写HDL代码的规则和习惯，它可以提高代码的可读性、可维护性和可重用性，也可以避免一些常见的错误和问题。一些常用的编码规范有：使用有意义的变量名、注释和空格；使用一致的缩进和对齐方式；使用明确的赋值语句和运算符优先级；使用合理的信号类型和范围；使用同步复位和时钟边沿触发等。 2）使用层次化和模块化的结构：层次化和模块化是指将一个复杂的设计分解为若干个相对简单的子模块，然后将这些子模块按照一定的逻辑关系连接起来，形成一个完整的设计。这样做可以提高设计的清晰度和可管理性，也可以方便地进行测试、修改和重用。一些常用的层次化和模块化的方法有：使用顶层模块、中间层模块和底层模块；使用总线、接口和协议；使用库、包和组件等。 3）利用参数化和生成语句：参数化和生成语句是指使用一些特殊的语法或关键字来定义一些可变的参数或条件，然后根据这些参数或条件来生成不同的代码或结构。这样做可以提高代码的灵活性和通用性，也可以减少代码的冗余和重复。一些常用的参数化和生成语句有：使用generic、parameter、define等定义参数；使用for loop、generate、case等生成结构等。 4）避免时序冒险和组合逻辑回路：时序冒险是指由于信号在不同路径上传输延迟不同，导致输出信号在一个时钟周期内发生多次跳变或错误变化的现象。组合逻辑回路是指由于信号在多个组合逻辑门之间形成环路，导致输出信号依赖于自身状态而不稳定或振荡的现象。这些现象都会影响FPGA的正确性和稳定性，甚至导致硬件损坏或故障。一些常用的避免时序冒险和组合逻辑回路的方法有：使用同步设计原则；使用触发器、锁存器、寄存器等存储元件；使用延迟器、滤波器、去抖动器等处理元件；使用状态机、计数器、定时器等控制元件等。 5）使用有效的调试手段：调试是指在设计过程中检查和修正错误或问题的过程，它是保证FPGA正确工作的重要环节。调试可以分为软件调试和硬件调试两种。软件调试是指在仿真环境中使用一些工具或方法来观察和分析FPGA的运行情况，找出潜在的错误或问题。硬件调试是指在实际的硬件设备上使用一些工具或方法来观察和分析FPGA的运行情况，找出实际的错误或问题。一些常用的调试手段有：使用断点、单步执行、变量监视、波形显示等软件工具；使用示波器、逻辑分析仪、信号发生器等硬件工具；使用测试平台、测试向量、测试套件等测试方法等。 五、FPGA技术研发趋势 如今，FPGA技术依然在不断演进，主要从以下四个维度在不断突破研发瓶颈。首先，制程技术的进步：制程技术是影响FPGA性能、功耗、成本和可靠性的重要因素。随着制程技术的不断发展，FPGA可以采用更小的晶体管尺寸，从而提高集成度、降低功耗、缩小芯片面积、提高运行速度和信号完整性。目前，主流的FPGA厂商如赛灵思（Xilinx）和英特尔（Intel）已经推出了基于7nm和10nm工艺的FPGA产品，未来还有望进入5nm甚至3nm工艺。 第二，系统级集成的需求：随着应用领域的不断拓展，FPGA需要与其他类型的芯片进行系统级集成，以提供更强大和更灵活的功能。例如，在人工智能、云计算、边缘计算等领域，FPGA需要与CPU、GPU、DSP、ASIC等芯片进行协同计算，以提高性能和效率。为了实现系统级集成，FPGA需要采用更先进的封装技术，如2.5D或3D堆叠技术，以实现高密度、高带宽和低延迟的互连。 第三，平台化和可编程性的提升：为了满足不同应用场景和用户需求，FPGA需要提供更高层次的抽象和可编程性，以降低开发门槛和时间。例如，赛灵思推出了ACAP（Adaptive Compute Acceleration Platform）平台，它是一种新型的FPGA架构，可以通过软件工具和库来配置和优化不同类型的计算引擎，如逻辑、存储、DSP、AI等。ACAP平台可以实现更快速、更灵活、更智能的计算加速。 第四，新兴应用领域的驱动：随着科技的进步和社会的发展，FPGA面临着新兴应用领域的挑战和机遇。例如，在5G通信、物联网、自动驾驶、医疗设备等领域，FPGA需要提供更高的带宽、更低的延迟、更强的安全性和更好的适应性。为了适应这些应用领域，FPGA需要不断创新和优化其架构、功能和接口。 身为FPGA开发大军的一员，希望本文给你带来了或多或少的帮助。FPGA作为一种灵活、高效的数字电路解决方案，在各个领域发挥着越来越重要的作用。未来，我们可以期待更多更先进的FPGA应用出现，为我们的生活带来更多的改变和便利。

IGBT全球缺货成香饽饽，对从业者来说是红利期到了吗？ IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种广泛应用于电动汽车、太阳能光伏、高速铁路等领域的高压功率半导体器件，近期出现了严重的供不应求的现象，不仅价格上涨，而且难以采购。据报道，IGBT陷入大缺货，缺货问题至少在2024年中前难以解决。此前有消息称，部分厂商IGBT产线代工价上涨10%。这究竟是什么原因导致的呢？ 一、IGBT是什么？ 首先，我们先来认识一下IGBT。IGBT是绝缘栅双极型晶体管的英文缩写，是一种由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高输入阻抗和低导通压降的优点 。IGBT是电力电子装置的核心器件，广泛应用于工业、通信、计算机、消费电子、汽车电子、航空航天、国防军工等领域，以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域 。 IGBT的工作原理是利用MOS管的栅极沟道来控制BJT的集电极电流，实现对输出功率的调节。IGBT有三个电极，分别为G-栅极，C-集电极，E-发射极。IGBT的导通和关断状态取决于栅-射极电压UGE和集-射极电压UCE的大小 。当UGE大于一定的阈值Uth时，MOS管形成沟道，BJT导通，IGBT呈导通状态；当UGE小于或等于Uth时，MOS管沟道消失，BJT关断，IGBT呈关断状态。当UCE为负值时，IGBT呈反向阻断状态。IGBT的开关速度受到BJT的载流子复合时间的影响，因此IGBT一般适用于中低频率的开关应用。 二、IGBT为什么全球缺货？ 先说结论：IGBT全球缺货是由市场需求和供应两方面共同作用的结果，其中新能源汽车和太阳能光伏是主要的驱动因素。 市场需求方面，一是新能源汽车的快速发展。随着全球对碳中和的追求，新能源汽车成为了未来交通出行的主流选择，各国也纷纷出台了鼓励和支持新能源汽车发展的政策和补贴。据统计，2022年全球新能源汽车销量将达到1400万辆，同比增长近50%。而IGBT是新能源汽车中不可或缺的核心元件之一，一辆电动汽车需要使用上百颗IGBT，是传统燃油车的7到10倍。因此，新能源汽车的需求直接推动了IGBT的需求增长。 二是太阳能光伏的普及。太阳能光伏是一种清洁、可再生、低碳的能源形式，也是应对气候变化和实现碳中和的重要手段之一。随着技术进步和成本下降，太阳能光伏于全球范围内得到了快速发展和普及，尤其在中国、欧洲、美国等地区。而IGBT是太阳能逆变器的关键元件之一，用于将直流电转换为交流电，供给电网或用户使用。据悉，目前太阳能逆变器采用IGBT的比重已经大幅提升，达到了80%以上。 与此同时，供应方面，一是半导体产业整体调整。由于2022年下半年以来，全球半导体市场出现了供过于求的情况，导致价格下跌、库存积压、产能过剩等问题。为了应对市场变化，许多半导体厂商纷纷采取了减产、降价、清库存等措施，以恢复供需平衡。这也导致了IGBT等部分产品的产能被压缩或转移。 二是电动汽车厂商抢占资源。由于电动汽车对IGBT等功率半导体器件的需求量巨大且稳定，许多电动汽车厂商为了保证供应链安全和成本控制，纷纷与IGBT供应商签订了长期合作协议，并提前预定了大量订单。这也使得IGBT供应商将优先满足电动汽车厂商的需求，而其他领域的客户则难以获得足够的供货。 综上，新能源汽车和太阳能光伏都是在当今“双碳”目标下高速发展的两大领域。行业以超出预料的速度向前狂飙突进，造成了如IGBT等元器件的短期缺货。随着IGBT产能的逐步上升，其技术也在同步演进，或将在性能上进一步提高，如降低损耗、提高耐压能力、增加功率密度、提高可靠性等。可以说，IGBT的技术突破为新能源汽车、太阳能光伏等行业的发展奠定了基础，整体行业的高速发展又将带动IGBT技术持续进步。 三、当下IGBT发展到哪一步了？ 自20世纪80年代初期，在美国通用电气公司和美国无线电公司宣布发明 IGBT 后，IGBT得到世界半导体厂家和研究机构的重视。可以看到，经历了80年代到1991年的初步问世阶段和1992-2000年的结构优化阶段后，IGBT在近20年间发展迅猛： IGBT性能提升阶段 (2001-2010年)：在这一阶段，IGBT技术主要围绕着降低导通压降和开关损耗，提高开关频率和安全工作区等方面进行改进。一方面是通过优化正面 MOS 结构,提高靠近发射极区一端的电子注入效率,从而优化导通压降与关断损耗的折中关系。另一方面是通过在NPT或FS结构中引入缓冲层或注入增强层等新型结构来改善载流子分布和电场分布，从而提高器件性能。例如，IEGT（Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor）结构在栅电极之间的区域进行EEI (Enhanced Electron Injector)进行重掺杂，称之为N+局部掺杂，目的是减弱PNP晶体管的作用，多余的电子则会与顶部的空穴进行复合，从而在漂移区的一侧，会增强顶部发射极电子的注入,这种新结构器件具有通态电压降较小，饱和电流密度较低，开关损耗也比较小。又如CSTBT（Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor）结构则是进一步的将IEGT的EEI层拓展至整个P-well阱之下，再通过MOS结构的通道层连接到发射极，进一步的增强了电子的注入能力，从而改善了载流子的分布。 IGBT创新突破阶段 (2011年至今)：在这一阶段，IGBT技术主要针对不同的应用需求进行差异化和创新性的设计。一方面是通过使用薄晶圆及优化背面结构，进一步降低了开关损耗，同时开关软度更高。同时，最高允许工作结温从第3代的125℃提高到了150℃或175℃，这无疑能进一步增加器件的输出电流能力。例如IGBT5使用厚铜代替了铝作为表面金属化层，铜的通流能力及热容都远远优于铝，因此IGBT5允许更高的工作结温及输出电流。另一方面是通过精细化沟槽栅技术，实现了高开关频率和低导通压降的折衷。例如TRENCHSTOP™5系列产品针对不同的应用进行了通态损耗和开关损耗的优化。其中H5/F5适合高频应用，L5导通损耗最低。 四、IGBT下一个机遇点在哪里？ IGBT的未来机遇主要来自于新能源发电和储能的快速发展，随着“双碳”目标的提出，光伏、风电及电化学储能（光风储）的需求将持续增长，带动IGBT市场规模扩大。预计2025年全球光风储用IGBT市场规模将达到250亿元。 从技术上看，IGBT的未来发展方向主要包括以下四个方面： 1）碳化硅（SiC）基IGBT的应用，以突破硅基IGBT的性能极限； 2）更低的开关损耗、更高的电流密度以及更高的工作温度； 3）Trench沟槽型结构的优化，以提高电子注入效率和降低导通电阻； 4） 集成化、智能化、小型化的封装技术，以提高功率密度、集成度和智能度。 其中，第一个方向，面对特斯拉宣布在某些车型中对碳化硅的使用减少75%的情况，或将迎来大爆发：“碳化硅+IGBT”混合模块方案可能降低采用碳化硅的电驱系统成本，成为未来的潜在方案之一。该方案将原有的TPAK封装中部分碳化硅器件替换为IGBT，封装成混合模块。目前，已有海外实验室成功研发出FREEDM-PAIR混合模块，并证实可行性。汽车厂商若采用SiC MOSFET和IGBT的混合模块方案能够明显降低成本。 再者，从大环境而言，国内IGBT市场需求量远大于产量，主要依赖进口，市场主要被英飞凌、三菱、富士电机等国际巨头垄断。国内主要从事IGBT研发和生产的企业有斯达半导体、士兰微、比亚迪、中车株洲、时代电气等。其中，斯达半导体和中车株洲已经实现了第七代IGBT产品的研发和量产，分别在中低压和高压领域有较强的竞争力。 总之，国内IGBT产业在芯片设计、晶圆制造、模块封装等方面都已经具备了国产替代的基础，但仍然存在一定的技术差距和供应链制约。随着国家政策对IGBT产业给予了重点扶持和引导，同时下游新能源产业需求持续增长，为国内IGBT企业提供了巨大的市场空间和发展机遇，无疑对我们从业者而言也是巨大的职业发展机遇。

单片机近十年有哪些技术创新值得我们关注？ 单片机是一种集成在一个芯片上的可编程微型计算机，可以用来执行特定的任务。自从20世纪70年代诞生以来，单片机技术已经取得了很大的进步。近年来，单片机市场出现了一些影响这些设备的设计和功能的趋势。今天，单片机是许多电子设备的核心部件，从家用电器和汽车到工业控制系统和医疗设备都离不开它们。 根据Grand View Research的报告，全球单片机市场规模在2021年达到了185亿美元，并预计从2022年到2030年以9.8%的复合年增长率增长。在2021年，全球共有290多亿个单片机出货1。 我们通过单片机MCU领域近十年的技术路线图，看到了一些研发创新的发展趋势，它们正在塑造这些设备的设计和使用方式： 1.更高的性能：随着科技的不断进步，单片机的性能不断提高。现在的单片机可以实现更高的运算速度和更大的存储容量，这样可以更好地满足复杂的应用需求。 2.更低的功耗：为了满足节能环保的要求，单片机的功耗也在不断降低。现在的单片机可以实现低功耗待机，对于一些需要长时间工作的应用场景非常适合。 3.更高的安全性：随着物联网和智能家居的快速发展，单片机的安全性也越来越重要。现在的单片机可以实现更高的安全防护，例如加密通讯、数字签名等。 4.更强的连接能力：现在的单片机可以与各种传感器、执行器、通讯模块等进行联网，实现更好的数据交换和实时监测。这对于一些需要实时控制和监测的应用场景非常重要。 5.更强的易用性：现在的单片机也越来越注重用户的易用性和开发效率。许多单片机厂商提供了一系列的开发工具和开发板，使得开发人员可以更快速地进行开发和测试。 基于这些技术创新，我们看到单片机的应用领域也愈发广阔，如低功耗单片机用于物联网、智能家居和可穿戴设备；汽车MCU具有先进的处理能力；更坚固和高度可靠的工业MCU；更小、更低功耗的嵌入式系统MCU；MCU用于各种医疗应用等。 简而言之，单芯片微型计算机的创新已经改变了各个行业，并开辟了新的可能性。它是各种应用的低成本解决方案，为智能控制系统、机器人和物联网设备的发展铺平了道路。这项技术的持续发展对许多领域的进一步进步和提高整体生活质量至关重要。