1.3　FPGA的基础知识

1.3.1　从晶体管到FPGA

1.肖克利与“硅谷八叛逆”

电子电路的基础是晶体管。“二战”结束后，贝尔实验室开始研制新一代的电子管，具体由威廉·肖克利（William Shockley）负责（见图1-12）。1947年圣诞节前两天的一个中午，肖克利的两位同事沃尔特·布莱登（Walter Brattain）和约翰·巴丁（John Bardeen）用几条金箔片、一片半导体材料和一个弯纸架制成了一个小模型，该模型可以传导、放大和开关电流。他们把这一发明称为点接触晶体管放大器（Point-Contact Transistor Amplifier）。1948年1月23日，也就是点接触晶体管放大器发明整整一个月的时候，肖克利想到了结型晶体管的方法。结型晶体管所有的功能都是在半导体内部完成的，这就使可靠性得到了很大的提高。肖克利只是发明了改进型的半导体晶体管，正是因为肖克利的改进，才使得世界上有了真正有用的晶体管。

1955年，高纯硅的工业提炼技术已成熟，用硅晶片生产的晶体管收音机也已问世。在贝尔实验室工作的肖克利坐不住了。肖克利不满足眼下的发明，他更想将这项发明商品化，推向市场。1955年，肖克利在硅谷建立了肖克利实验室股份有限公司。作为一名慧眼识英才的伯乐，肖克利聘用了8位优秀人才。这是从未有过的伟大天才的集合，所有的人都在30岁以下，正处于他们才能喷涌的顶峰时期，极具战斗力。琼·赫尔尼（Jean Hoerni）来自加州理工学院，拥有剑桥和日内瓦大学两个博士头衔；维克多·格里尼克（Victor Grinich）是斯坦福研究所的研究员；八个人中年龄最大、仅29岁的尤金·克莱尔（Eugene Kleiner）是通用电气的制造工程师；戈登·摩尔（Gordon Moore）来自约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室；一心要成为最著名科学家的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）来自菲尔科福特公司；此外还有朱利叶斯·布兰克（Julius Blank）、杰伊·拉斯特（Jay Last）和谢尔顿·罗伯茨（Sheldon Roberts），都是不凡之辈。如果没有肖克利，这些人才就不会出现在硅谷，肖克利一到，硅谷之火一触即发。

大伙都是仰慕肖克利的大名而来的，摩拳擦掌地要干一番大事。但他们初到肖克利的实验室时，都大吃一惊：所谓的实验室，就是光秃秃的墙、水泥地和裸露在外的屋椽。肖克利是伟大的科学家，却是最不好的老板。1956年1月，肖克利被授予诺贝尔物理学奖。大伙异常兴奋，因为没有哪家公司是由诺贝尔奖得主领导的，他们觉得自己已到了改变整个世界的时候。

可惜这种欢乐是如此的短暂。

肖克利的市场学问十分零碎，而雄心又太大，对管理技巧一窍不通，甚至跟其他人打交道的能力也没有，却十分自以为是。作为经理，肖克利逐渐把自己孤立起来，跟人说话，总像对待小孩子一样，态度日趋傲慢。到了1957年，八个人中有七个产生了跳槽的想法。当肖克利还在野心勃勃地构建企业梦想时，他精心挑选的千里马已密谋集体离职。

新泽西的仙童（Fairchild）照相器材公司对肖克利麾下的这七个才华横溢的年轻人很有兴趣，其年轻的总裁约翰·卡特（John Carter）一直想创建一家高科技公司。但卡特还心存疑虑，因为这七个人都没有管理才能。于是七个人开始用高薪引诱肖克利公司最后一位坚守者—罗伯特·诺伊斯。因为他是八个人中唯一看上去有点领导才能的人。诺伊斯虽受肖克利赏识器重，但对肖克利也已不抱幻想。于是八个人很快向肖克利递上辞职书。肖克利大为震惊，继而大发雷霆，把他们称为叛徒，时称“八叛逆（The Traitorous Eight）”，如图1-13所示。

2.Ross Freman与FPGA的发明

诺伊斯和摩尔是最后离开仙童的，他们想继续合作成立一家半导体公司，这时有风险投资商找到他们愿意投资，所以新公司的融资出奇地顺利，尽管这个创业公司没有任何业务计划，甚至也没有一定的产品目标，但投资者纷纷看好诺伊斯、摩尔的公司。1968年7月，一个伟大的半导体公司—英特尔（Intel）在硅谷成立，诺伊斯是总裁，摩尔是负责技术的副总裁。

图1-12　肖克利

图1-13 “八叛逆”

企业管理者一定要明白一个道理：人才是关键。所谓很厉害的公司通常是因为聚集了一群业内顶尖人才，要想公司走向卓越就必须聚集一群顶尖人才，Intel为什么厉害？是因为它聚集了一群高人，在存储子系统市场玩得风生水起之后，另一个天才人物来到了Intel，他将用自己的知识把Intel推向新的高度。

佛德利克·法金（Federico Faggin），1941年出生于意大利，是物理学博士，曾在1968年加入仙童半导体，发明了金属氧化物硅栅工艺技术，现在很多芯片还在采用这种技术。1970年4月，他跳槽到了Intel，正是他帮助Intel完成从存储器到微处理器的转型。微处理器无疑是20世纪人类最伟大的发明之一。谈到微处理器，一般人都知道发明人为特德·霍夫（Ted Hoff），事实上，法金的作用一点也不比霍夫逊色。微处理器设计正是由他完成的，他在硅片上确定了各种晶体管的实际排放位置，并发展了芯片规格和晶体管计数的细节。

很多公司都会遇到这样的矛盾，虽然掌握了某个新技术，但是难以将业务转型到新技术上来，因为它的主要收入来自传统业务。Intel也不例外，于是就有了当DRAM日薄西山时，摩尔还在叫嚷“Intel是一家存储器公司，我们永远不会卖微处理器”。由于Intel依然看中存储业务，法金只得黯然离开，之后创办了大名鼎鼎的Zilog公司，成为单片机行业的领军者。

Zilog的员工Ross Freeman认为FPGA在未来大有市场，但是公司高层对其想法不认可。Ross Freeman愤然离职，并挖走了他的上司Bernard Vonderschmitt一起创办现在鼎鼎大名的Xilinx公司，随即开创了IC设计的Fabless模式（不直接从事产品的生产制造，生产制造环节均以外包方式完成）。

Xilinx共同创始人之一Ross Freeman（见图1-14）因发明现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）荣登2009年美国发明家名人堂。Freeman的发明是一块全部由“开放式门”组成的计算机芯片，工程师可以根据需要进行编程，添加新的功能，满足不断发展的标准或规范要求，并可在设计的最后阶段进行修改。25年前，Freeman按照摩尔定律准确推测，晶体管的成本将随时间推移稳步下降，低成本、高度灵活的FPGA将成为各种应用中定制芯片的替代品。

图1-14　Ross Freeman

FPGA的发明为Xilinx公司持续二十几年的创新奠定了坚实的基础，Freeman发明的FPGA不仅为公司打下了基础，也为一个全新的行业奠定了基础。Xilinx现在拥有2000多项专利，在数十亿美元规模的可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）行业中占有50%以上的市场份额，其产品广泛应用于汽车、消费、工业、医疗、航空航天、国防和通信等领域。