FPGA是什麼？做好之後還能改寫電路的晶片原理

生活中的例子

在手機或家電裡，不太常見到FPGA。常用到它的是行動通訊基地台、量測儀器、資料中心的伺服器、人造衛星等。這些都是生產數量偏少，或出貨後還想改變功能的機器。

對開發新晶片的公司來說，FPGA也不可或缺。因為在工廠製造晶片之前，會先把設計好的電路放進FPGA，確認它真的能動。

FPGA是什麼：電路可以事後決定的晶片

一般的晶片，會在工廠把設計好的電路做進去。電晶體的連接方式在完成時就固定，之後不能更改（「積體電路（IC）是什麼？」）。CPU的電路本身也是固定的。CPU能改的，是交給電路執行的指令順序，也就是程式（「CPU是什麼？」）。

相對地，FPGA是買來之後，才決定電路本身的晶片。裡面有能變成任何功能的小元件，以及連接它們的繞線，像棋盤格一樣排列。設定好每個元件做什麼、怎麼連接，晶片就會當成那個電路運作。

FPGA是英文Field-Programmable Gate Array的縮寫，中文稱為現場可程式化邏輯閘陣列。意思是「在現場（field）就能設定（programmable）的邏輯閘排列（gate array）」。

原理1：LUT——寫著答案的小表格

邏輯電路的功能，可以用真值表寫出來。這是列出所有輸入組合，以及各組合輸出的表。例如2輸入的AND，輸入組合有4種，所以是4列的表。

FPGA不用邏輯閘組裝，而是把這張表直接寫進小小的記憶體。用輸入的0和1選出「表的第幾列」，再輸出那一列寫的值。因為是查表得出答案，這個元件稱為查找表（LUT）。

2輸入的LUT，由4個記憶格和選出其中1格的電路組成。要做成AND時，從上到下在4格裡寫入0、0、0、1。輸入A=1、B=1時，選中第4格，輸出1。其他輸入都輸出0，所以和AND的功能相同。

把同一個LUT的格子，從上到下改寫成0、1、1、0看看。這樣它就只在兩個輸入不同時輸出1。這正是XOR的功能。不必更換邏輯閘，只要改寫格子裡的內容，就變成另一個電路。

4個格子填入0和1的方式共有16種。2輸入的邏輯功能，總共也是16種。2輸入的LUT，可以變成其中任何一種。

實際FPGA的LUT，輸入更多。例如超微（AMD）的7系列FPGA，使用6輸入的LUT。格子數是2連乘6次的64個，任何6輸入的邏輯，都能用1個LUT做出來。

原理2：正反器——記住結果

LUT的輸出，只由當下的輸入決定。光靠它，無法記住「剛才是什麼值」。計數的電路，或把計算分成幾段依序傳下去的電路，都需要能記住值的元件。

因此FPGA在LUT旁邊，放了正反器。正反器是記住0或1這1個位元的元件。它只在固定的訊號到來的瞬間讀入輸入，並持續輸出同一個值，直到下一個訊號。

這個訊號以固定間隔重複0和1，稱為時脈。和CPU的「3 GHz」是同一種訊號。本文把幾組LUT和正反器合在一起的單位，稱為「邏輯區塊」。

只由輸入決定輸出的電路，和也會用到記住的值的電路，兩者的差異整理在「組合邏輯電路與循序邏輯電路的差異」的表中。

原理3：可以切換連接方式的繞線

邏輯區塊之間，縱橫交錯著許多繞線。繞線交會的地方，有能選擇接通或切斷的開關。開關其實是電晶體，開或關由旁邊記憶格裡的0和1決定。

假設要把某個邏輯區塊的輸出，送到另一個區塊。只要打開途中的幾個開關，就能做出一條路徑。打開哪些開關，決定了電路的連接方式。這種能用設定改變連接的繞線，稱為可程式化繞線。

為了放進任何電路都不會不夠用，繞線和開關連可能用不到的路都事先準備好。因此需要多出來的電晶體和面積。這就是後面會看到「比專用晶片慢、也比較耗電」的原因之一。

也內建了專用元件

乘法這類大的計算，如果用LUT來做，需要很多LUT，速度也慢。因此現在的FPGA，一開始就做進了功能固定的電路。這些稱為硬體區塊。

• DSP區塊：把乘法和加法合在一起快速執行的電路。DSP是「數位訊號處理」的英文縮寫，用於聲音和無線電波的處理，以及AI的計算
• 區塊RAM：放置一定量資料的晶片內記憶體
• 高速收發器：用很少的線，和其他晶片快速交換資料的電路（SerDes）
• CPU核心：也有內建Arm等處理器的產品。靠程式運作的部分和組電路的部分，可以放在同一顆晶片上

設定資料，每次開機都要載入

LUT格子的內容，和繞線開關的開或關，全都是0和1的資料。把這些整合成一份，稱為位元流。所謂「把電路寫進FPGA」，就是把這份資料載入內部的記憶格。

多數FPGA的記憶格，使用斷電後內容就會消失的記憶體（SRAM）。所以每次開機，都要從同一塊電路板上的快閃記憶體等處載入位元流。載入完成之前，FPGA不會當成目標電路運作。

另一方面，也有斷電後設定不會消失的產品。例如Microchip公司的PolarFire系列，把設定存在一種快閃記憶體裡。不必在外面放設定用的記憶體，開機後馬上就能運作。

FPGA的電路怎麼做？

FPGA電路的做法，和專用晶片（ASIC）的設計很像。最大的不同在最後一步。不是把設計資料送到工廠，而是產生位元流，載入FPGA。

1. 寫出功能：用硬體描述語言（HDL）寫出電路的動作。常用的是Verilog和VHDL。
2. 轉成電路：軟體把寫好的動作，轉換成LUT、正反器、硬體區塊的組合。這個步驟稱為邏輯合成。
3. 擺放並連接：由軟體決定使用哪些邏輯區塊、用哪些開關連接。這稱為佈局繞線。
4. 寫入：把結果做成位元流，載入FPGA。
5. 確認：實際運作來確認，要修改就回到第1步。

HDL看起來像程式語言，但寫的不是指令的順序，而是電路的形狀。兩種語言的差異，在「Verilog 與 VHDL 的差異」中比較。

最近也會用另一種方法：從C語言或C++寫的計算步驟，自動產生相當於HDL的電路描述。這稱為高階合成（HLS）。

CPU、FPGA、ASIC的差異

CPU用固定的電路，一次取出並執行一個指令。它什麼工作都能做，但每次都要花工夫取出並解讀指令。FPGA則是組出配合工作的電路來運作。例如「乘、加、比較」可以用各自的電路同時進行。

ASIC（特殊應用積體電路）是只為一種工作設計、在工廠製造的晶片。用同一世代的技術做出相同的功能，通常ASIC最快，也最省電。不過開始生產前，設計和電路的原版（光罩）要花很大的費用。必須大量生產，把這筆費用分攤到每一顆上，才能回本。

三者的差異，以及和把整個系統整合成一顆晶片（SoC）的關係，也整理在「ASIC、FPGA、SoC 的差異」的表中。

為什麼比專用晶片慢，也比較耗電？

在FPGA中，訊號每次在邏輯區塊之間移動，都要經過好幾個開關和長長的繞線。ASIC可以用最短的繞線連接兩點，FPGA卻只能轉乘事先準備好的路。另外，就連AND這種小功能，有時也要用掉1個有64格的LUT。

有研究實際量過這個差距。多倫多大學的Kuon和Rose在2007年的論文中，用FPGA和ASIC做出相同的電路來比較。兩者都是同一世代（90 nm）的技術。只用LUT和正反器時，FPGA的面積平均約35倍，訊號通過電路的時間約3～4倍。

功耗方面，比較的是0和1切換時用掉的部分（動態功耗），FPGA約14倍。另一方面，使用硬體區塊時，面積差距縮小到約18倍。這是將近20年前世代的量測，現在的產品數字不同。不過，能改寫就會降低效率的理由，現在也一樣。

用在哪裡？

• 新晶片的試作：在工廠製造ASIC之前，把設計好的電路放進FPGA，執行實際的軟體來確認。也有專為這種用途做的超大型FPGA。
• 通訊設備：通訊標準會不斷修訂。在基地台等設備使用FPGA，就保留了出貨後修改電路的空間。
• 量測儀器與工業設備：這些產品生產數量少，做專用晶片不划算。
• 資料中心：Microsoft在2014年的論文中，報告了用FPGA加速搜尋引擎Bing排序計算的試驗。在1,632台伺服器上各裝1片FPGA，每台的處理量增加了95%。
• 太空：在人造衛星上，發射後還能從地面改寫電路是一大優點。太空中容易因輻射讓記憶的位元翻轉，發生軟錯誤，所以會使用有對策的太空用產品。

FPGA的歷史與廠商

想出FPGA的人，是美國工程師羅斯．弗里曼（Ross Freeman）。1984年，他為了把這個構想做成產品，和夥伴一起創立了Xilinx。接著在1985年，發表了被視為第一顆FPGA的XC2064。裡面的邏輯元件有64個。

長久以來，最知名的FPGA大廠是Xilinx和Altera這2家公司。

• 2015年12月：英特爾（Intel）完成收購Altera
• 2022年2月：超微（AMD）完成收購Xilinx。Xilinx的產品現在以AMD的產品販售
• 2025年9月：投資公司Silver Lake取得Altera 51%的股份。Altera不再是英特爾的子公司（英特爾持有49%）

此外，Lattice和Microchip等公司也生產FPGA。這裡寫的公司關係，是2026年10月時的狀況。

常見的誤解

從數字來看

邏輯單元是廠商自訂的規模計算方式（AMD把1個6輸入LUT算作1.6個邏輯單元）。它和XC2064的「64個」算法不同，不能單純比較。即使如此，仍看得出約40年間規模大了好幾個數量級。

進一步學習

• 用表格看差異：閂鎖器與正反器的差異、靜態功耗與動態功耗的差異
• 下一步的用語：FPGA（詳細解說）、RTL、STA（檢查電路是否趕得上時脈）
• 動手試試看：邏輯電路模擬器（做出邏輯閘的真值表，就知道LUT要寫入什麼內容）、建立時間與保持時間時序計算器（電路延遲與時脈速度的關係）
• 用圖來看：正反器讀入值的時機，在圖解「建立時間與保持時間」中
• 相關文章：「微控制器（MCU）是什麼？」（靠程式運作的小型電腦，常拿來和FPGA比較）