關于可編程邏輯器件的性能分析和應用

如今，不僅是高性能FPGA還有其它邏輯器件都正在變得越來越強大了，它們正整合著傳統(tǒng)上由其它類型的邏輯器件完成的功能，比如CPU、GPU還有DSP等。它們可謂是瑞士軍刀的半導體版本。

1969年，成千上萬人（包括作者本人）聚在烏茲托克音樂節(jié)，協(xié)和號飛機進行了第一次試飛，尼克松上任，此外還有一件重大的事情在那年發(fā)生：帶有12個門和30個輸入/輸出引腳的XC157掩模編程門陣列出現(xiàn)在了1968版古老的摩托羅拉半導體數(shù)據(jù)手冊上（圖1）。

用老生常談的話說就是，接下來的事大家都知道了——由許許多多廠家制造的不同邏輯器件讓眾多類型的嵌入式系統(tǒng)成為現(xiàn)實。

根據(jù)復雜度的相對級別，紛繁復雜的邏輯器件可大致分為三類（表1）。位于表中頂層的是現(xiàn)場可編程器件的霸主——FPGA以及它們的變體——自從1985年David W.Page和LuVerne Peterson發(fā)起這個概念后，它們已經(jīng)有很長的一段歷史了。FPGA和它們最相近的兄弟復雜可編程邏輯器件（CPLD）的區(qū)別在于它們能夠完成復雜功能的能力，它們就像一個“空白的畫布”，它們的功能在之后被描繪在畫布上，而不是由廠家預先特定地賦予。

圖1：如1968版摩托羅拉半導體數(shù)據(jù)書冊上描述的摩托羅拉XC157”多門陣列”感謝：Jason Scott，所有者，textfiles.com

FPGA真可謂是大顯神通，因為它們無需外設就可以進行計算、信號處理、高速通信還有其它功能。在一個FPGA上去定義數(shù)量龐大的連接和器件邏輯功能從來都不是意見容易的事，也沒有必要那樣做，F(xiàn)PGA廠商和軟件開發(fā)商已經(jīng)開發(fā)出來軟件工具可以讓開發(fā)的過程變得輕松。為了加速編程開發(fā)過程，也可以使用預先設計的和驗證了的知識產(chǎn)權（IP）功能模塊。

FPGA這個概念的提出始于19世紀80年代末，它是美國海軍水面作戰(zhàn)部一個計劃的成果，當時業(yè)內(nèi)人士開發(fā)出了一個實現(xiàn)了600,000個可編程門的計算機。那不久之后，第一款商業(yè)FPGA(XC2064)由賽靈思創(chuàng)始人Ross Freeman和Bernard Vonderschmiitt在1985年推出。該FPGA是個8x8可配置邏輯模塊（CLB）格（64個CLB），帶有兩個3輸入查找表（LUT）。

很快到了現(xiàn)在，發(fā)展的速度讓人吃驚。如今集成ARM Cortex內(nèi)核或其它處理內(nèi)核的FPGA能夠給DSP、集成ADC每秒執(zhí)行超過1萬億次的浮點型運算，總吞吐率（所有串行收發(fā)通道）達3Tb/s，有超過5千萬個邏輯元件，超高速內(nèi)存（容量很大），還有128位加密。所有的這些甚至還會有更多都包含在這個單一器件上，并且功耗很低，前所未有的低延遲，還有更多讓人印象深刻的屬性。如今FPGA能夠實現(xiàn)這么多不同類型的功能以至于它們現(xiàn)在不僅僅是一個片上系統(tǒng)，同時也是一個更靈活、復雜的系統(tǒng)。例如，以前通訊系統(tǒng)中用到一組ASIC電路來實現(xiàn)前端的接收機功能，如今利用一片F(xiàn)PGA就能搞定。不像ASIC電路那樣在制造過程中功能就固定了，F(xiàn)PGA可被再編程，而硬件上沒有大體的改變。

FPGA的下一個前沿

下一步FPGA主要應用在可配置計算當中，連同軟件一起，它們提供一臺計算機的所有功能，利用一個通用處理器作為控制。這并不是一個新概念，它已經(jīng)在19世紀60年代被人們描述出來了，并于1991年由Algotronix公司的Tom Kean、John Gray博士和David Rees博士在CHS2X4平臺上展示出來了。此平臺基于該公司的CAL1024 FPGA，有1024個1.5-μm雙金屬CMOS工藝的可編程器件,并且是第一款能對控制內(nèi)存提供隨機訪問的FPGA，也是第一款能夠給要構建的設備使能陣列提供輸入/輸出信號共享的FPGA。這一成就和技術使得賽靈思在1993年收購了Algotronix公司。

在一些特定高性能系統(tǒng)中已經(jīng)使用FPGA來進行可重新配置計算了，包括加密領域。一個有趣的例子是密碼破譯機器即成本優(yōu)化并行代碼斷路器(COPACOBANA)，專門為如數(shù)據(jù)加密標準(DES)及其它并行計算問題設計。在任何意義上這并不是一個通用用途，因為它的通信受限于速度和帶寬，相比基于CPU的電腦，時鐘速率也較慢。盡管如此，對于那些適合使用FPGA的應用，成本能夠大大降低，并且有很強的性能。通過僅僅使用FPGA還有其它現(xiàn)成的部件，能夠使成本僅僅是電子前沿基金的DeepCrack那樣基于CPU的加密計算機成本的幾分之一。

COPACOBANA(圖2)使用了120個FPGA（根據(jù)具體設計增減），適配19英尺槽的三個單元。它每秒進行480億此DES解密，功耗僅為600W，只需要運行Windows或Linux系統(tǒng)的PC機控制就行。在加密硬件和嵌入式系統(tǒng)2006（CHES2006）工作坊的秘鑰挑戰(zhàn)中，COPACABANA花費了21小時26分鐘29秒，以每秒431.852億值得吞吐率使用了128個處理器中的108個。在搜索了4.7%的秘鑰空間后，它找到了秘鑰。這種類型的硬件用在常規(guī)硬件攻擊中通過迭代猜測秘鑰或密碼來解鎖加密的傳輸。

圖2：COPACABANA:基于FPGA的廉價代碼破譯機。