FPGA的架構一直伴隨著摩爾定律不斷演進，與其他類型的芯片相比，FPGA可以說是當前Zui先進半導體技術的集大成者。1984年，賽靈思（Xilinx）推出了第一款商用FPGA-XC2064，如圖1所示。在這個FPGA上，只有64個可編程邏輯單元、2個3輸入查找表（LUT）、總共800個邏輯門。35年后，英特爾在2019年底推出了當今世界上Zui大的FPGA，這款名為Stratix10 GX 10M的FPGA芯片，基于英特爾14nm工藝制造，有著433億只晶體管、1020萬個可編程邏輯單元，以及2304個可編程I/O。

圖1 世界上首枚商用FPGA-XC2064

可以看到，在這35年間，FPGA的芯片架構發生了極其巨大的變化，用翻天覆地來形容也不為過。在這期間，有多次根本性的架構變革，它們奠定了現代FPGA架構的核心和發展方向。這些架構變革發生的根本原因，都是基于FPGA新興應用的驅動。

前賽靈思院士，在FPGA和芯片架構領域擁有超過200項專利的Steve Trimberger博士曾把FPGA的發展歷程大致劃分為三個階段，即發明階段（the age of invention）、擴張階段（the age of expansion）、累積階段（the age of accumulation）。這三個發展階段，也分別代表了FPGA技術從無到有、從小到大、從大到強的發展過程，見證了FPGA從單純的可編程邏輯單元，逐漸發展到擁有成百上千萬個可編程邏輯單元的大型陣列，再發展到集成了各類硬件資源、IP核，甚至處理器內核的復雜片上系統，并形成當前豐富的FPGA產品門類，在各類應用場景中得到越來越廣泛的使用。

發明階段：歷史的必然

FPGA的發明階段橫跨20世紀80年代和90年代。當時的芯片設計與生產模式與現在有著較大的不同。在當時，無晶圓廠模式尚未興起，ASIC公司只有在客戶的設計投入生產時才賺錢。然而由于開發過程中需求的變化、流片失敗，或者存在無法通過固件升級進行修復的設計漏洞，往往只有1/3的芯片設計實際投入生產。也就是說，在當時有2/3的芯片項目是賠錢的。由于芯片的流片成本巨大，業界急需一種通用的半導體器件，用來進行流片前的測試、驗證等工作，從而減少流片失敗的可能性。在這個大環境下，可編程邏輯器件應運而生，而這也是FPGA的前身。

正如前文提到的那樣，FPGA的本質也是一種芯片，它的主要特殊之處是當制造出來后，可以根據不同用戶的需求，通過編程來改變自身的邏輯功能，而且這個過程可以重復進行。同時，FPGA使用固定的開發工具和開發環境，而不需要像ASIC那樣開發定制化的工具鏈。這樣一來，不同的ASIC芯片可以在流片前使用相同的FPGA進行測試和驗證，這使得ASIC廠商流片前的成本和風險得到了大幅降低。

以現在的標準來看，賽靈思推出的業界第一款FPGA-XC2064更像是一個“玩具”。這個售價55美元的芯片由2.5μm工藝制造，只有64個邏輯單元，以及不超過1000個邏輯門。也就是說，實現一個簡單的64位移位寄存器就會占用XC2064的全部片上邏輯。然而在當時看來，作為ASIC流片前的硬件仿真與驗證平臺，FPGA本身的性能并沒有那么重要。此時業界需要的，只是一堆相互連接的可編程邏輯門而已。因此，XC2064的問世，在當時依然引發了不小的轟動。到了20世紀90年代，FPGA芯片的主體架構也在慢慢發展，并逐漸演變成為了現在我們熟悉的可編程邏輯陣列的結構，如圖2所示。

圖2　FPGA的基本架構

擴張階段：設計自動化的興起

20世紀末是摩爾定律大放異彩的時代。在摩爾定律的指引下，半導體行業在這十幾年里經歷了飛速發展。與之對應的，FPGA在1992年到1999年之間迎來了自己的擴張階段。此時由于芯片制程技術的持續突破，制造大尺寸的芯片已經不像以前那么困難了。對于FPGA來說，不斷提升自身的容量就成為了自然而然的選擇。FPGA包含的邏輯單元、I/O引腳、時鐘和布線等片上資源的數量都在持續增加。伴隨著FPGA容量的增長，曾經非常寶貴的芯片面積也逐漸變得相對廉價，這也直接影響了很多電路設計方法論的發展。例如，在此時就出現了“面積換性能”之類的電路設計方法。

更大的芯片面積也給FPGA的架構創新提供了更多的想象空間。例如，FPGA可編程單元中的LUT查找表結構，從Zui初的三輸入，開始變成四輸入和六輸入，甚至更多。在這些基本的可編程單元內部，還逐漸增加了寄存器和多路選擇器等更多額外功能。漸漸地，這些FPGA片上資源的互連復雜性已經開始取代邏輯結構的復雜性，并成為FPGA廠商需要優先解決的問題。

與前一個階段相比，在擴張階段發生的另一個主要的變化就是FPGA自動設計工具和軟件的興起。由于FPGA結構變得越來越復雜，出現了針對FPGA進行優化設計的自動綜合、布局和布線的EDA工具，使用這些工具進行FPGA設計，也逐漸成為了FPGA開發的主流方法。和ASIC設計不同的是，FPGA廠商并沒有依賴傳統EDA公司提供的這些設計工具，而是走了自主研發的道路。這是由于FPGA公司敏銳地認識到，只有將EDA技術掌握在自己手中，才能牢牢把握FPGA發展的未來。而這個看法，現在已被證明是juedui的真理。FPGA廠商針對自家FPGA產品開發的設計自動化工具，如英特爾（原Altera）的Quartus系列、賽靈思的ISE和Vivado系列等，一直被認為是這些公司“皇冠上的明珠”。早年間，由于各個廠商FPGA主體架構都比較相似，如何優化自家的設計工具，以取得更加出色的性能，就成為了FPGA廠商努力競爭的主戰場。這些EDA工具中包含的各種專利與技術機密，也為這些公司構建了深厚的技術護城河。

累積階段：復雜片上系統的形成

進入21世紀，FPGA的發展進入了累積階段。人們發現，FPGA的發展此時遭遇了瓶頸，因為單純提升FPGA的容量已經不能滿足各類應用的需求。同時，很多客戶開始追求更高的性價比，并不愿意為過大的FPGA買單。在這個大環境下，FPGA開始從單純的可編程門陣列，逐步轉變為擁有復雜功能的可編程片上系統。除了進一步改進可編程邏輯單元本身的微架構之外，FPGA廠商還在FPGA的易用性上做足了功夫。例如，它們推動定義了諸多標準化的數據傳輸協議，方便不同設計和模塊之間的互連與通信。它們還為很多重要而常見的功能開發了可以重復使用的IP核，例如軟核微處理器（英特爾/Altera的NIOS，賽靈思的MicroBlaze）、存儲控制器和各種通信協議棧等，可以供客戶直接調用而無須再從頭制造輪子。

與此同時，很多專用的邏輯單元也被添加到FPGA器件中，并逐漸成為現代FPGA的“標配”。例如，用于數學計算的加法進位鏈、乘法器、定點與浮點DSP單元，固定容量的片上存儲器，以及各種速率的串行收發器和物理接口等。隨著人工智能的興起，AI引擎、可變精度的DSP等針對AI應用開發的IP核也被固化到FPGA中。可以看到，現代FPGA已經成為了各類全新科技的集大成者，而這也會反過來促使FPGA在更多應用場景里被使用。