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Zui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Zui大的FPGA，这款名为Stratix10GX 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（theage of invention）、扩张阶段（the age of expansion）、累积阶段（the age ofaccumulation）。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
扩张阶段：设计自动化的兴起
20世纪末是摩尔定律大放异彩的时代。在摩尔定律的指引下，半导体行业在这十几年里经历了飞速发展。与之对应的，FPGA在1992年到1999年之间迎来了自己的扩张阶段。此时由于芯片制程技术的持续突破，制造大尺寸的芯片已经不像以前那么困难了。对于FPGA来说，不断提升自身的容量就成为了自然而然的选择。FPGA包含的逻辑单元、I/O引脚、时钟和布线等片上资源的数量都在持续增加。伴随着FPGA容量的增长，曾经非常宝贵的芯片面积也逐渐变得相对廉价，这也直接影响了很多电路设计方法论的发展。例如，在此时就出现了“面积换性能”之类的电路设计方法。
更大的芯片面积也给FPGA的架构创新提供了更多的想象空间。例如，FPGA可编程单元中的LUT查找表结构，从Zui初的三输入，开始变成四输入和六输入，甚至更多。在这些基本的可编程单元内部，还逐渐增加了寄存器和多路选择器等更多额外功能。渐渐地，这些FPGA片上资源的互连复杂性已经开始取代逻辑结构的复杂性，并成为FPGA厂商需要优先解决的问题。
与前一个阶段相比，在扩张阶段发生的另一个主要的变化就是FPGA自动设计工具和软件的兴起。由于FPGA结构变得越来越复杂，出现了针对FPGA进行优化设计的自动综合、布局和布线的EDA工具，使用这些工具进行FPGA设计，也逐渐成为了FPGA开发的主流方法。和ASIC设计不同的是，FPGA厂商并没有依赖传统EDA公司提供的这些设计工具，而是走了自主研发的道路。这是由于FPGA公司敏锐地认识到，只有将EDA技术掌握在自己手中，才能牢牢把握FPGA发展的未来。而这个看法，现在已被证明是juedui的真理。FPGA厂商针对自家FPGA产品开发的设计自动化工具，如英特尔（原Altera）的系列、赛灵思的ISE和Vivado系列等，一直被认为是这些公司“皇冠上的明珠”。早年间，由于各个厂商FPGA主体架构都比较相似，如何优化自家的设计工具，以取得更加出色的性能，就成为了FPGA厂商努力竞争的主战场。这些EDA工具中包含的各种专利与技术机密，也为这些公司构建了深厚的技术护城河。
累积阶段：复杂片上系统的形成
进入21世纪，FPGA的发展进入了累积阶段。人们发现，FPGA的发展此时遭遇了瓶颈，因为单纯提升FPGA的容量已经不能满足各类应用的需求。同时，很多客户开始追求更高的性价比，并不愿意为过大的FPGA买单。在这个大环境下，FPGA开始从单纯的可编程门阵列，逐步转变为拥有复杂功能的可编程片上系统。除了进一步改进可编程逻辑单元本身的微架构之外，FPGA厂商还在FPGA的易用性上做足了功夫。例如，它们推动定义了诸多标准化的数据传输协议，方便不同设计和模块之间的互连与通信。它们还为很多重要而常见的功能开发了可以重复使用的IP核，例如软核微处理器（英特尔/Altera的NIOS，赛灵思的MicroBlaze）、存储控制器和各种通信协议栈等，可以供客户直接调用而无须再从头制造轮子。
与此同时，很多专用的逻辑单元也被添加到FPGA器件中，并逐渐成为现代FPGA的“标配”。例如，用于数学计算的加法进位链、乘法器、定点与浮点DSP单元，固定容量的片上存储器，以及各种速率的串行收发器和物理接口等。随着人工智能的兴起，AI引擎、可变精度的DSP等针对AI应用开发的IP核也被固化到FPGA中。可以看到，现代FPGA已经成为了各类全新科技的集大成者，而这也会反过来促使FPGA在更多应用场景里被使用。