现场可编程门阵列 FPGA 是什么？买回来还能重新“改电路”的芯片

现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）是一种在制造出厂之后，仍然可以由用户根据需要重新编程、改变其内部电路功能的芯片。“现场可编程”的意思就是在使用现场，而不是在芯片工厂里，就能对它进行编程。1985 年，赛灵思（Xilinx）公司推出了第一款商用的 FPGA。

它和普通芯片有什么不同

普通的处理器，比如电脑里的 CPU，电路是固定的，它通过依次执行软件指令来完成各种任务，非常灵活，但执行任务时要一条条地取指令、解码、执行，效率有限。专用集成电路（ASIC）是为某一个特定任务专门设计的芯片，电路被直接“刻”在硅片上，速度快、功耗低，但设计和制造的成本极高、周期很长，而且一旦制造出来就无法修改。

FPGA 介于两者之间：它的内部包含大量可以配置的逻辑单元、存储单元，以及连接它们的可编程连线。用户可以通过编程，决定这些单元实现什么样的逻辑功能、彼此之间如何连接，相当于在芯片里“搭建”出一个为特定任务定制的硬件电路。如果需求变了，还可以重新编程，把它变成另一个电路。打个比方，CPU 像一个什么都会做的通用工人，按照说明书一步步干活；ASIC 像一条为某一种产品专门建造的生产线，效率极高但只能做这一种产品；FPGA 像一套可以反复拆装重组的乐高积木生产线，可以根据需要搭成不同的形状。

怎么给 FPGA 编程

给 FPGA 编程和写普通的软件很不一样：开发者需要使用 Verilog 或 VHDL 等硬件描述语言来描述电路的结构和行为，再由开发工具把这些描述转换成 FPGA 的配置文件，写入芯片。这需要专门的数字电路设计知识，开发门槛比较高。近年来，也出现了可以用 C 语言等高级语言来进行开发的“高层次综合”工具，降低了开发的难度。

应用

芯片的原型验证：在设计昂贵的专用芯片之前，先用 FPGA 来实现和验证电路的设计是否正确。通信：5G 基站、网络设备中需要高速地处理信号和数据包，而且通信标准经常更新，FPGA 可以通过重新编程来适应新的标准。金融高频交易：需要以极低的延迟处理市场数据并做出交易决策，FPGA 能做到比软件快得多的响应。此外还用于工业控制、医疗影像设备、航空航天、雷达和视频处理等。

在 AI 中的角色

FPGA 也被用于 AI 推理的加速：它可以为特定的神经网络定制计算电路，延迟低、功耗相对较低，适合对实时性要求高的场景，比如数据中心中的部分推理任务、边缘设备上的视觉处理。微软就曾在其数据中心大规模部署 FPGA，用于加速搜索引擎和 AI 服务。不过，在大模型的训练和大规模推理方面，GPU 和专用的 AI 芯片凭借更高的算力和更成熟的软件生态占据了主导地位。如今，FPGA 的两大主要厂商赛灵思和 Altera 已经分别被 AMD 和英特尔收购，其中 Altera 后来又被英特尔分拆为独立运营的公司。