何謂FPGA？
現場可編程閘陣列
現場可編程閘陣列（FPGA）是一種半導體裝置，其核心結構為可配置邏輯單元（CLB）矩陣，這些單元透過可編程互連線路相互連接。與傳統積體電路（例如CPU或GPU）在製造完成後功能固定不同，FPGA可在製造完成後重新編程，以滿足特定應用或功能需求。
主要特徵與用途
FPGA以處理複雜數位運算的多功能性與高效能著稱。憑藉其高度可編程性與性能優勢，這些裝置被廣泛應用於各領域，從電信系統到汽車系統皆可見其蹤影。
- 可定制性：FPGA具備針對特定任務進行編程與重新編程的能力，使其具備高度適應性，因而能滿足各類技術需求。
- 效能表現：FPGA 執行平行處理任務的效率優於 CPU，使其成為高速資料處理與即時運算的理想選擇。
- 快速原型製作與測試：工程師無需耗費高昂成本與時間進行硬體製造，即可測試並修改數位邏輯設計。
FPGA架構與設計
FPGA由可編程邏輯單元、互連線路及輸入輸出單元組成。其架構設計使其能被編程執行複雜的組合邏輯功能、簡易邏輯閘及儲存元件。
- 邏輯單元：這些是FPGA的基本building blocks 。它們可被編程以執行多種邏輯功能。
- 互連線：這些可編程導線用於連接邏輯單元。其靈活性在定義FPGA功能時扮演關鍵角色。
- 輸入/輸出區塊：用於連接FPGA與其他周邊設備及元件，在系統整體功能與效能表現中扮演關鍵角色。
FPGA的設計流程涉及使用硬體描述語言（HDL），例如Verilog或VHDL。硬體描述語言使工程師能夠描述電子電路與系統設計的結構與行為。
FPGA的應用
由於其速度、效率以及前述的可編程性，FPGA被廣泛應用於各類領域。當今FPGA最為突出的關鍵應用領域包括：
- 電信通訊：FPGA在訊號處理、網路設備及通訊協定中扮演關鍵角色。其具備快速處理能力與靈活特性，能有效管理現代通訊系統所需的複雜演算法，例如5G網路與 物聯網（IoT）裝置。
- 汽車系統：先進駕駛輔助系統（ADAS）與自動駕駛技術運用FPGA實現即時處理。透過在導航與障礙物偵測中促進快速決策流程，FPGA為車輛的安全性與效率作出貢獻。
- 資料中心：FPGA可強化資料處理能力，尤其在處理大數據分析與雲端運算方面表現突出。其加速特定任務（如加密與資料壓縮）的能力，使其在優化伺服器效能與能源效率方面具有重要價值。
- 航太與國防領域：基於其在衛星通訊與雷達系統中的可靠性與卓越性能，FPGA亦廣泛應用於其他電子戰系統。在這些高要求環境中，FPGA為任務關鍵型應用提供必要的耐用性與適應性，常需在極端條件下持續運作。
- 醫療設備：FPGA在影像裝置與診斷設備中發揮關鍵作用，為醫療保健領域提供所需的速度與精準度。其應用於醫學影像領域（如磁振造影與電腦斷層掃描儀）可強化影像處理能力，從而實現更快速且精準的診斷。
FPGA的靈活性使其能夠適應未來的技術進步，確保其在眾多產業中的持續適用性。
關於FPGA的常見問題
- ASIC 與 FPGA 的區別為何？
兩者的主要差異在於設計理念與應用場景。專用積體電路（ASIC）是為特定應用量身打造，製造完成後無法重新編程。反之，現場可編程閘陣列（FPGA）具備可編程與可重配置特性，使其能靈活應用於多種場景。 - FPGA 如何提升能源效率？
相較於傳統處理器，FPGA 透過更快速執行任務且耗能更低的方式，有效提升能源效率。其高效處理平行運算任務的能力，能顯著縮短整體運算時間並降低能源消耗。 - FPGA能否應用於消費性電子產品？
是的，FPGA因其靈活性與性能優勢，廣泛應用於各類消費性電子產品。在需要快速訊號處理的裝置中常見其蹤影，例如高畫質電視與數位相機。 - 編程FPGA需要哪些技能？
編程FPGA通常需要掌握至少一種硬體描述語言（HDL）。理解數位邏輯設計，並具備電子或電腦工程背景亦有助益。 - FPGA 適合用於AI 機器學習應用嗎？
由於具備強大的處理能力與高效處理平行任務的特性，FPGA 在機器學習應用中的使用日益廣泛。在需要即時資料處理與低延遲運算AI ，FPGA 尤其展現出卓越的實用價值。 - FPGA 可重新編程多少次？
FPGA可進行多次重新編程。具體次數因特定 FPGA 型號而異，但通常設計上能承受數千次編程循環，且不會導致性能或功能衰退。