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隨著云計算，大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用，單靠CPU已經(jīng)無法滿足各行各業(yè)的算力需求。海量數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和邊緣計算等場景需要計算架構(gòu)多樣化，需要不同的處理器架構(gòu)和GPU，NPU和FPGA等異構(gòu)計算技術(shù)協(xié)同，滿足特定領(lǐng)域的算法和專用計算需求。今天，筆者帶大家詳細(xì)了解下FPGA技術(shù)。
FPGA是英文Field Programmable Gate Array簡稱，即現(xiàn)場可編程門陣列。它是在PLA、PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。
1、 FPGA簡介
FPGA普遍用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路模塊，用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的需求。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改?？梢院敛豢鋸埖闹v，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，下至簡單的74電路，上至高性能CPU，都可以用FPGA來實(shí)現(xiàn)。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。
2、FPGA發(fā)展史
FPGA的發(fā)展歷史如下圖所示。相對于PROM、PAL/GAL、CPLD而言，F(xiàn)PGA規(guī)模更大性能更高。
圖1 FPGA發(fā)展史
FPGA芯片主流生產(chǎn)廠家包括Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi，其中前兩家的市場份額合計達(dá)到88%。目前FPGA主流廠商全部為美國廠商。國產(chǎn)FPGA由于研發(fā)起步較美國晚至少20年，目前還處于成長期，僅限于低端，在通信市場還沒有成熟應(yīng)用。
2015年12月，Intel公司斥資167億美元收購了Altera公司。Altera被收購后不久即制定了英特爾處理器與FPGA集成的產(chǎn)品路線圖。這兩種產(chǎn)品集成的好處是可以提供創(chuàng)新的異構(gòu)多核架構(gòu)，適應(yīng)例如人工智能等新市場的需求，同時能大幅縮減功耗。
圖2 FPGA在電信領(lǐng)域的應(yīng)用歷史
FPGA在航天、軍工、電信領(lǐng)域有非常成熟和廣泛的應(yīng)用。以電信領(lǐng)域?yàn)槔?，在電信設(shè)備一體機(jī)階段，F(xiàn)PGA由于其編程的靈活性以及高性能被應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析以及接口轉(zhuǎn)換。
在NFV（NetworkFunction Virtualization階段，F(xiàn)PGA基于通用服務(wù)器和Hypervisor實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元數(shù)據(jù)面5倍的性能提升，同時能夠被通用Openstack框架管理編排。
在云時代，F(xiàn)PGA已經(jīng)被作為基本IaaS資源在公有云提供開發(fā)服務(wù)和加速服務(wù)，AWS、華為、BAT均有類似通用服務(wù)提供。
截至目前，Intel的Stratix 10器件已被成功應(yīng)用于微軟實(shí)時人工智能云平臺Brainwave項(xiàng)目。
3、兩家主流FPGA公司發(fā)展近況
Xilinx聚焦芯片領(lǐng)先和豐富的加速解決方案，通過開放策略獲得主流云平臺支持，確立了其在數(shù)據(jù)中心的領(lǐng)先地位。其UltraScale+系列FPGA領(lǐng)先友商1年多，使其在云平臺競爭中占領(lǐng)先機(jī)，其VU9P器件被大量應(yīng)用于包括AWS、Baidu、Ali、Tencent及華為在內(nèi)的多家公司的云計算平臺。
為滿足加速器領(lǐng)域?qū)PGA芯片日益遞增的性能需求，Xilinx已發(fā)布面向數(shù)據(jù)中心的下一代ACAP芯片架構(gòu)、推出7nm Everest器件。此器件已不屬于傳統(tǒng)的FPGA，它集成了ARM、DSP、Math Engine處理器陣列等內(nèi)核，將于2019年量產(chǎn)。相較于VU9P，Everest支持的AI處理性能將能提升20倍。
Intel則提供從硬件到平臺到應(yīng)用的全棧解決方案，不開放硬件和平臺設(shè)計以避免生態(tài)碎片化，投入巨大但進(jìn)展緩慢。
圖3 Xilinx產(chǎn)品系列圖
圖4 Intel(以Stratix系列為例)產(chǎn)品工藝年代
FPGA在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場的實(shí)際應(yīng)用中存在一定技術(shù)難點(diǎn)，具體包括如下幾方面：
1、編程門檻較高：硬件描述語言不同于軟件開發(fā)語言，需要開發(fā)者對底層硬件有著較深刻的認(rèn)識；因此人才也就成為限制FPGA應(yīng)用的一個重要因素。據(jù)了解，目前國內(nèi)從事FPGA開發(fā)的人員初步估計大約兩萬多人。
2、集成難度較大：FPGA開發(fā)與應(yīng)用需要軟硬件的協(xié)同，包括使用高級語言的系統(tǒng)建模、硬件代碼（電路）設(shè)計、硬件代碼仿真、底層驅(qū)動軟件與硬件邏輯的聯(lián)調(diào)等等。
3、開發(fā)周期相對軟件要長：硬件開發(fā)比軟件開發(fā)過程復(fù)雜，調(diào)試周期也被拉長。
4、很難獲取獨(dú)立邏輯IP。
4、FPGA整體結(jié)構(gòu)
FPGA架構(gòu)主要包括可配置邏輯塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出塊IOB（Input Output Block）、內(nèi)部連線（Interconnect）和其它內(nèi)嵌單元四個部分。
CLB是FPGA的基本邏輯單元。實(shí)際數(shù)量和特性會依器件的不同而改變，但是每個CLB都包含一個由4或6個輸入、若干選擇電路（多路復(fù)用器等）和觸發(fā)器組成的可配置開關(guān)矩陣。開關(guān)矩陣具有高度的靈活性，經(jīng)配置可以處理組合型邏輯、移位寄存器或 RAM。
FPGA可支持許多種I/O標(biāo)準(zhǔn)，因而可以為系統(tǒng)設(shè)計提供理想的接口橋接。FPGA 內(nèi)的I/O按bank分組，每個bank能獨(dú)立支持不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)。目前最先進(jìn)的FPGA提供了十多個I/O bank，能夠提供靈活的I/O支持。
CLB 提供了邏輯性能，靈活的互連布線則負(fù)責(zé)在CLB和I/O之間傳遞信號。布線有幾種類型，從設(shè)計用于專門實(shí)現(xiàn) CLB 互連（短線資源）、到器件內(nèi)的高速水平和垂直長線（長線資源）、再到時鐘與其它全局信號的全局低skew布線（全局性專用布線資源）。一般，各廠家設(shè)計軟件會將互連布線任務(wù)隱藏起來，用戶根本看不到，從而大幅降低了設(shè)計復(fù)雜性。
內(nèi)嵌硬核單元包括RAM、DSP、DCM（數(shù)字時鐘管理模塊）及其它特定接口硬核等，F(xiàn)PGA器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下示意圖。
圖5 FPGA器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
一般來說，器件型號數(shù)字越大，表示器件能提供的邏輯資源規(guī)模越大。在FPGA器件選型時，用戶需要對照此表格，根據(jù)業(yè)務(wù)對邏輯資源（CLB）、內(nèi)部BlockRAM、接口（高速Serdes對數(shù)）、數(shù)字信號處理（DSP硬核數(shù)）以及今后擴(kuò)展等多方面的需求，綜合考慮項(xiàng)目最合適的邏輯器件。
5、FPGA開發(fā)流程
FPGA的設(shè)計流程就是利用EDA開發(fā)軟件和編程工具對FPGA芯片進(jìn)行開發(fā)的過程。FPGA的開發(fā)流程一般如下圖所示，包括功能定義/器件選型、設(shè)計輸入、功能仿真、邏輯綜合、布局布線與實(shí)現(xiàn)、編程調(diào)試等主要步驟。
1、功能定義/器件選型：在FPGA設(shè)計項(xiàng)目開始之前，必須有系統(tǒng)功能的定義和模塊的劃分，另外就是要根據(jù)任務(wù)要求，如系統(tǒng)的功能和復(fù)雜度，對工作速度和器件本身的資源、成本、以及連線的可布性等方面進(jìn)行權(quán)衡，選擇合適的設(shè)計方案和合適的器件類型。
2、 設(shè)計輸入：設(shè)計輸入指使用硬件描述語言將所設(shè)計的系統(tǒng)或電路用代碼表述出來。最常用的硬件描述語言是Verilog HDL。
3、 功能仿真：功能仿真指在邏輯綜合之前對用戶所設(shè)計的電路進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證。仿真前，需要搭建好測試平臺并準(zhǔn)備好測試激勵，仿真結(jié)果將會生成報告文件和輸出信號波形，從中便可以觀察各個節(jié)點(diǎn)信號的變化。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則返回設(shè)計修改邏輯設(shè)計。常用仿真工具有Model Tech公司的ModelSim、Sysnopsys公司的VCS等軟件。
4、 邏輯綜合：所謂綜合就是將較高級抽象層次的描述轉(zhuǎn)化成較低層次的描述。綜合優(yōu)化根據(jù)目標(biāo)與要求優(yōu)化所生成的邏輯連接，使層次設(shè)計平面化，供FPGA布局布線軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。就目前的層次來看，綜合優(yōu)化是指將設(shè)計輸入編譯成由與門、或門、非門、RAM、觸發(fā)器等基本邏輯單元組成的邏輯連接網(wǎng)表，而并非真實(shí)的門級電路。
真實(shí)具體的門級電路需要利用FPGA制造商的布局布線功能，根據(jù)綜合后生成的標(biāo)準(zhǔn)門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表來產(chǎn)生。為了能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表，HDL程序的編寫必須符合特定綜合器所要求的風(fēng)格。常用的綜合工具有Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro軟件以及各個FPGA廠家自己推出的綜合開發(fā)工具。
5、布局布線與實(shí)現(xiàn)：布局布線可理解為利用實(shí)現(xiàn)工具把邏輯映射到目標(biāo)器件結(jié)構(gòu)的資源中，決定邏輯的最佳布局，選擇邏輯與輸入輸出功能鏈接的布線通道進(jìn)行連線，并產(chǎn)生相應(yīng)文件(如配置文件與相關(guān)報告)；實(shí)現(xiàn)是將綜合生成的邏輯網(wǎng)表配置到具體的FPGA芯片上。由于只有FPGA芯片生產(chǎn)商對芯片結(jié)構(gòu)最為了解，所以布局布線必須選擇芯片開發(fā)商提供的工具。
6、編程調(diào)試：設(shè)計的最后一步就是編程調(diào)試。芯片編程是指產(chǎn)生使用的數(shù)據(jù)文件(位數(shù)據(jù)流文件，Bitstream Generaon)，將編程數(shù)據(jù)加載到FPGA芯片中；之后便可進(jìn)行上板測試。最后將FPGA文件（如.bit文件）從電腦下載到單板上的FPGA芯片中。
6、如何使用FPGA
FPGA開發(fā)完畢，最終得到驗(yàn)證好的加載文件。輸出加載文件后，即可開始正常業(yè)務(wù)處理和驗(yàn)證(以軟件加載方式為例，描述整個過程)
1、邏輯加載；
2、單板軟件加載邏輯后，需要復(fù)位邏輯；
3、復(fù)位完成后，軟件需等待等待一段時間至邏輯鎖相環(huán)工作穩(wěn)定；
4、軟件啟動對邏輯的外部RAM、內(nèi)部Block RAM、DDRC等的自檢操作；
5、軟件完成自檢以后，對邏輯所有可寫RAM空間及寄存器進(jìn)行初始化操作；
6、初始化完畢，軟件參考邏輯芯片手冊配置表項(xiàng)及寄存器；
7、邏輯準(zhǔn)備好，可以開始處理業(yè)務(wù)。
7、FPGA適用場景
FPGA適合非規(guī)則性多并發(fā)、密集計算及協(xié)議解析處理場景，例如人工智能、基因測序、視頻編碼、數(shù)據(jù)壓縮、圖片處理、網(wǎng)絡(luò)處理等各領(lǐng)域的加速。
工商網(wǎng)監(jiān)
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