作者： Chris Wardman, Boston Hardware Studios
FPGA 正被陈旧的专有软件所限制。了解为什么拥抱开源工具对于推动 FPGA 开发现代化、释放其全部潜力至关重要。
FPGA 已经存在数十年，却从未真正得到应有的重视。它们长期被视为强大但晦涩，充满潜力却麻烦不断。
而具有讽刺意味的是：最误解 FPGA 的人，往往就是制造 FPGA 的那些公司。
一个历史遗留问题
Altera 和 Lattice Semiconductor 成立于 1983 年；Xilinx 随后在一年后成立。这三家公司自此定义了 FPGA 的版图。但尽管它们制造高性能芯片，也同时制造并控制用于编程这些芯片的软件。而这些软件仍停留在 1970 年代的思维方式上（这可不是好事）。
想象一下当年的 IBM 模式：你买芯片、再去许可编程软件、购买专有硬件将代码写入，甚至还要把工程师送去为期一周的培训班学习如何使用它。这样的商业模式在科技行业其他地方早已死亡，但在 FPGA 世界中却顽固地存活着。
FPGA 的本质是什么
要理解我们为何走到今天这一步，需要重新回顾 FPGA 的本质。
处理器和 FPGA 都有时钟。在典型处理器中，我们编写顺序执行的代码：每个时钟周期完成一个指令操作。
相比之下，FPGA 定义的是数据通路，描述信号应如何在每个时钟周期依据内部状态和外部输入发生变化。换句话说，我们描述的是全局的逐时钟周期行为，而不是逐步骤的数据操作。
两类设备的基本原理都很简单。处理器内部结构虽然可能极其复杂，但 FPGA 大多数时候并不是这样——它本质上是一块均匀的逻辑块结构。
简化后的 FPGA 架构示意图（图源：英特尔）
由于 FPGA 的运行方式完全不同，我们无法使用传统的编程语言给它编程（尽管曾有许多尝试）。我们必须使用硬件描述语言：VHDL 或 Verilog，而这几乎从不会由软件团队来处理。
巨大的误区
第一个大误区是：HDL 是“硬件”。不是。HDL 本质上是“软件”，应该按软件方式来管理。
不幸的是，VHDL 和 Verilog 是遗物。两者诞生于 1980 年代，它们又借鉴了 1960–70 年代的编程语言。两者都很糟，但工程师们仍被迫使用它们，因为工具链是封闭的，供应商缺乏动力，没有任何外部力量能迫使他们改变。
为什么没有更好的语言诞生？因为工具链被锁死。半导体公司没有内部动力推进变革，也没有外部压力迫使它们改进。此外，公司往往更愿意把开发任务甩给硬件团队，因为软件工程师不会容忍糟糕语言与平庸专有 IDE 的组合，以及完全脱离现代软件开发体系的工作方式。
结果就是：工程师被困在过时语言和像博物馆展品一样的 IDE 中开发。开发过程痛苦不堪，公司只在“不得不”时才使用 FPGA，通常是处理极其复杂的任务。于是 FPGA 厂商开始按“复杂任务”来设计产品，进一步强化了 FPGA “缓慢、复杂、昂贵”的行业刻板印象，形成恶性循环。
不必这样
这种观念是错误的。HDL 的确有学习成本，但在简单设计上，它往往比传统编程更快。比如，用 HDL 写一个 SPI 接口比在 MCU 上编写 SPI 驱动更简单。
我曾希望 Xilinx 推出 Zynq 系列（把处理器与 FPGA 结合）能改善情况。然而，配套工具极难用，反而让情况更糟，把开发者进一步推远。
在实际应用中，FPGA 几乎总是和某种处理器结合使用。有时像 Zynq，一体化；更多时候是一颗小 MCU。FPGA 本就是连接处理器与物理世界的优秀桥梁。但我们却把软件和 HDL 当成两个独立应用，甚至分交给完全不同的团队。这种分裂是极其低效的。
我们是怎么卡住的
2015 年，Intel 收购了 Altera；几年后，AMD 收购了 Xilinx。当时战略聚焦数据中心：让 FPGA 与 CPU 搭配，加速加密等特定工作负载。在纸面上有道理，但实际从未获得规模化成功。
十年后，FPGA 在数据中心基本被边缘化。AI 让 GPU 成为首选硬件，Intel 和 AMD 的重心也发生偏移。FPGA 硬件价格上涨，创新停滞。Intel 正剥离 Altera 业务，AMD 则把 Xilinx 引导向 AI 相关芯片。
这使得行业里真正独立的 FPGA 厂商只剩一家：Lattice Semiconductor。
Lattice 的机会
Lattice 拥有难得的机会去引领行业，不是靠工程实力碾压巨头，而是通过改革其生态系统。
目前已有爱好者基于逆向工程 Lattice 器件而构建的开源工具链。这些工具已经比官方工具更易用。即使厂商不做代码贡献，只要开放完整文档，它们就能演化为一流的开发环境。
Lattice Avant-X Versa FPGA 原型板（图源：莱迪思）
如果 Lattice 拥抱开源，它可能开启 FPGA 的新纪元。想象一下：现代化语言、智能 IDE 集成、便捷工作流——让 FPGA 开发自然融入嵌入式工程，而非成为冷门的小众技能。
FPGA 的未来方向
专有工具链数十年来束缚着 FPGA。如果开放工具生态，社区就能推动创新，构建更好的语言，创造符合 2025 年及未来软件工程师期望的用户体验。
追逐 AI 或数据中心从未真正让 FPGA 成功。FPGA 的未来在于回归其最初承诺：灵活、高效、人人可编程的硬件。技术早已成熟，唯一缺失的是一个真正释放它的生态系统。
本文编译自：Allaboutcircuits