为解决能耗限制、处理器核心无法同时运作、以及性能提升有限的问题，业界提出了“定制计算”的方案，也就是为特定的工作场景和负载优化硬件设计。FPGA（“现场可编程逻辑阵列”）应运而生，人们在可编程的芯片 FPGA 上把硬件设计重复烧写进它的可编程存储器里，从而使 FPGA芯片可以执行不同的硬件设计和功能。

受益于与众不同的架构，FPGA的可编程属性使其相比其他处理器，在算力、成本、功耗之间更能取得平衡。FPGA的优势：

• 可编程灵活性高：FPGA属于半定制电路，理论上，如果 FPGA提供的门电路规模足够大，通过编程可以实现任意 ASIC 和 DSP 的逻辑功能。
• 开发周期短：FPGA无需布线、掩模和定制流片等，芯片开发流程大幅简化，因此普遍被认为是构建原型和开发设计的最快推进路径之一。传统的ASIC和 SoC设计周期平均是14到24个月，用FPGA进行开发时间可以平均降低 55%。
• 并行计算效率高：FPGA属于并行计算，一次可执行多个指令的算法。虽然普遍主频较低，但对部分特殊的任务，大量相对低速并行的单元比起少量高效单元的效率更高。

▲ 图1：CPU、GPU、FPGA、ASIC对比

当然，FPGA 也有很多限制因素：

• 成本方面，实现同样逻辑的性能， FPGA的成本是 ASIC 芯片成本的 10倍以上；
• 功耗方面，FPGA芯片的面积比ASIC更大，功耗也高于ASIC；
• 编程设计，需要采用专用工具进行 HDL编译，再烧录至 FPGA中，技术门槛要求非常高。

随着FPGA生态环境的建设和完善、 ASIC芯片的逐渐成熟，未来异构计算领域会呈现GPU、 FPGA、ASIC芯片三分天下的局面。

▲ 图2：FPGA 特性及应用

FPGA的特点决定其应用方向。采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片；FPGA可做其它全定制或半定制 ASIC电路的中试样片；FPGA内部有丰富的触发器和 I／O引脚；FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

正因为这些特点，FPGA 主要应用于：

• 通信设备的高速接口电路设计：用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换；
• 数字信号处理/数学计算方向：例如金融、医疗数据分析
• SOPC：利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，设计者在上面进行嵌入式软件开发；
• 深度学习方向：在FPGA上实现异构计算和并行计算，推动其在深度学习中的应用。