FPGA的架构一直伴随着摩尔定律不断演进，与其他类型的芯片相比，FPGA可以说是当前最先进半导体技术的集大成者。1984年，赛灵思（Xilinx）推出了第一款商用FPGA-XC2064，如图1所示。在这个FPGA上，只有64个可编程逻辑单元、2个3输入查找表（LUT）、总共800个逻辑门。35年后，英特尔在2019年底推出了当今世界上最大的FPGA，这款名为Stratix10 GX 10M的FPGA芯片，基于英特尔14nm工艺制造，有着433亿只晶体管、1020万个可编程逻辑单元，以及2304个可编程I/O。

图1 世界上首枚商用FPGA-XC2064

可以看到，在这35年间，FPGA的芯片架构发生了极其巨大的变化，用翻天覆地来形容也不为过。在这期间，有多次根本性的架构变革，它们奠定了现代FPGA架构的核心和发展方向。这些架构变革发生的根本原因，都是基于FPGA新兴应用的驱动。

前赛灵思院士，在FPGA和芯片架构领域拥有超过200项专利的Steve Trimberger博士曾把FPGA的发展历程大致划分为三个阶段，即发明阶段（the age of invention）、扩张阶段（the age of expansion）、累积阶段（the age of accumulation）。这三个发展阶段，也分别代表了FPGA技术从无到有、从小到大、从大到强的发展过程，见证了FPGA从单纯的可编程逻辑单元，逐渐发展到拥有成百上千万个可编程逻辑单元的大型阵列，再发展到集成了各类硬件资源、IP核，甚至处理器内核的复杂片上系统，并形成当前丰富的FPGA产品门类，在各类应用场景中得到越来越广泛的使用。

发明阶段：历史的必然

FPGA的发明阶段横跨20世纪80年代和90年代。当时的芯片设计与生产模式与现在有着较大的不同。在当时，无晶圆厂模式尚未兴起，ASIC公司只有在客户的设计投入生产时才赚钱。然而由于开发过程中需求的变化、流片失败，或者存在无法通过固件升级进行修复的设计漏洞，往往只有1/3的芯片设计实际投入生产。也就是说，在当时有2/3的芯片项目是赔钱的。由于芯片的流片成本巨大，业界急需一种通用的半导体器件，用来进行流片前的测试、验证等工作，从而减少流片失败的可能性。在这个大环境下，可编程逻辑器件应运而生，而这也是FPGA的前身。

正如前文提到的那样，FPGA的本质也是一种芯片，它的主要特殊之处是当制造出来后，可以根据不同用户的需求，通过编程来改变自身的逻辑功能，而且这个过程可以重复进行。同时，FPGA使用固定的开发工具和开发环境，而不需要像ASIC那样开发定制化的工具链。这样一来，不同的ASIC芯片可以在流片前使用相同的FPGA进行测试和验证，这使得ASIC厂商流片前的成本和风险得到了大幅降低。

以现在的标准来看，赛灵思推出的业界第一款FPGA-XC2064更像是一个“玩具”。这个售价55美元的芯片由2.5μm工艺制造，只有64个逻辑单元，以及不超过1000个逻辑门。也就是说，实现一个简单的64位移位寄存器就会占用XC2064的全部片上逻辑。然而在当时看来，作为ASIC流片前的硬件仿真与验证平台，FPGA本身的性能并没有那么重要。此时业界需要的，只是一堆相互连接的可编程逻辑门而已。因此，XC2064的问世，在当时依然引发了不小的轰动。到了20世纪90年代，FPGA芯片的主体架构也在慢慢发展，并逐渐演变成为了现在我们熟悉的可编程逻辑阵列的结构，如图2所示。

图2　FPGA的基本架构