FPGA的新應(yīng)用

以市場觀點來看，許多人只會重視FPGA的大量型應(yīng)用，例如用FPGA取代ASIC。

但就技術(shù)角度來看，F(xiàn)PGA的應(yīng)用拓展就更為多樣且具意義，這包括用FPGA加速高效運算、用FPGA加速電路設(shè)計驗證、用FPGA取代大量性的DSP運算。

由于掩膜成本的指數(shù)性攀升，許多中等用量規(guī)模(約50萬顆以下)的芯片無法如過去般以ASIC方式投產(chǎn)，且不得不改以FPGA投產(chǎn)，如此使近年來FPGA的市場不斷增長。

FPGA侵蝕原有ASIC市場的用量極為可觀的，此也成為近年來眾人關(guān)注FPGA的首要焦點，不過也因為過于聚焦在高用量、大市場的觀察，使FPGA的其它新應(yīng)用發(fā)展被人所忽略，但這些應(yīng)用卻也極具意義。所以，以下本文將針對FPGA的新應(yīng)用進行更多的了解與說明。

高效運算(High Performance Computing；HPC)

高效運算所指的即是軍方、政府機關(guān)、學術(shù)研究單位所用的超級計算機(Supercomputer)，另外部分企業(yè)內(nèi)的工程、科技運算也含括在內(nèi)，這類型的計算機擁有極高的運算效能，然近年來為了進一步提升系統(tǒng)效能，因此開始將FPGA運用于系統(tǒng)中。

首先是Cray Research，該公司的超級計算機：XD1就有用上FPGA，XD1用的是Xilinx(賽靈思)公司的VIRTEX系列FPGA。XD1機內(nèi)有所謂的FPGA應(yīng)用程序加速模塊(FPGA Application Acceleration Module)，模塊等于是機內(nèi)的一個小型輔助運算系統(tǒng)，VIRTEX是模塊內(nèi)的主控芯片，等于是一個協(xié)同處理器(Co-Processor)，只不過這個協(xié)同處理器與ASIC型式的協(xié)同處理器不同，F(xiàn)PGA具有可程序化的功效，因此VIRTEX是一顆可程序化的協(xié)同處理器。

運算模塊內(nèi)除了有FPGA的協(xié)同處理器外，處理器也必須搭配內(nèi)存才能行使運算，所以FPGA會再連接4顆QDR II SRAM(極高速性的內(nèi)存)，然后模塊一方面用HyperTransport與XD1的主處理器相連，另一方面也連往XD1的特有高速I/O界面：RapidArray。

接著，由于高效運算多是執(zhí)行大量重復(fù)性的運算，例如氣象預(yù)測、風洞測試等，所以可以將執(zhí)行的應(yīng)用程序轉(zhuǎn)化成FPGA內(nèi)的組態(tài)(Configuration，中國內(nèi)地方面稱為：配置)程序，以硬件線路方式來執(zhí)行運算，如此將比過往用純軟件方式執(zhí)行快上數(shù)倍至數(shù)十倍的效能，甚至在特定的應(yīng)用運算上能達一百倍以上的效能。

更仔細而言，其實是將整個應(yīng)用程序中重復(fù)性最高、且最經(jīng)常呼用(Call，呼叫使用，中國內(nèi)地方面稱為：調(diào)用)的函式庫(Library，中國內(nèi)地方面稱為：庫)進行轉(zhuǎn)化，改以FPGA的硬件線路執(zhí)行，如此就能夠以最小的轉(zhuǎn)化心力獲得最大的加速效果。

Cray如此，與Cray同為高效運算市場的另一家業(yè)者：SGI(視算科技)也實行相同的作法，SGI提出所謂的RASC(Reconfigurable Application Specific Computing；RASC)，中文可稱為：可組態(tài)化應(yīng)用程序性運算，RASC也是以模塊方式讓原有的超級計算機能獲得加速效果。

SGI的作法與Cray有部分相同也有部分不同，Cray是將模塊設(shè)置在原有超級計算機的機內(nèi)，而SGI則是運用既有超級計算機機箱的上部來加搭加速模塊，不過就功效機制而言兩者異曲同工，此外兩者都使用Xilinx的VIRTEX系列FPGA，但是內(nèi)存與I/O部分兩家也實行不同的設(shè)計，Cray是使用QDR II SRAM，SGI則是可實行QDR SRAM，或者也可用DDR2 SDRAM，前者容量少(80MB)但速度快，后者容量大(20GB)而速度慢，提供兩種選擇的原因是可依據(jù)不同的應(yīng)用程序特性來選用。

另外，高效運算業(yè)者通常有獨門的機內(nèi)通訊傳輸技術(shù)，RapidArray即是Cray的獨家技術(shù)，而SGI自身也有獨家的傳輸技術(shù)，即NUMAlink 4(已是第四代技術(shù))，所以SGI的RASC不是使用RapidArray，而是使用NUMAlink 4。

其實Cray系統(tǒng)內(nèi)所用的FPGA模塊是與DRC Computer公司技術(shù)合作而成，因此DRC Computer自身也有提供相近方案，DRC的RPU(Reconfigurable Processor Units)同樣也是用FPGA來加速，一樣是用Xilinx VIRTEX FPGA，但與主系統(tǒng)間的連接接口改成AMD Opteron處理器的接座接口，如此一般使用AMD Opteron處理器的x86服務(wù)器也可以加裝RPU來提升高效運算的效能。

芯片開發(fā)時的邏輯功效驗證

FPGA的另一個新應(yīng)用是芯片開發(fā)時的邏輯功效驗證。過去數(shù)字芯片在設(shè)計開發(fā)時，每開發(fā)至一個階段就必須對已經(jīng)完成的電路進行邏輯上、機制上的功效驗證，以了解設(shè)計是否有誤，關(guān)于此多是用計算機軟件程序來進行邏輯推演(Simulation)，不過用計算機程序來進行驗證，其推演速度相當慢，所以每一項驗證都要經(jīng)過漫長等待才能知道結(jié)果。

對此或許有人會說：可以使用更快速的計算機來加快驗證，但這其實是雞與蛋的問題，計算機效能提升其實是因為芯片效能愈來愈高，芯片效能愈來愈高原因可用摩爾定律來解釋，在摩爾定律下，芯片開發(fā)速度變快、同時也讓芯片更復(fù)雜，所以「計算機的更快速」與「芯片的更復(fù)雜」是連動的，使用了更快速的計算機，也意味著要推演、驗證更復(fù)雜設(shè)計的芯片，最根本的問題并還沒有真正解決。

不過，由于FPGA的電路密度、運作效能在近年來大幅提升，所以開始有人提議用FPGA來取代純計算機執(zhí)行的驗證軟件，如此推演速度就可以獲得大幅提升。舉例來說，IBM、Sony、Toshiba三家業(yè)者所共同合作開發(fā)的Cell芯片，當芯片還在開發(fā)階段時就已經(jīng)使用FPGA來推演驗證，以加速了解設(shè)計上的正確性。更具體來說，就是將新芯片的邏輯電路加載到FPGA，讓FPGA充當新芯片來執(zhí)行。

改采FPGA方式來驗證，其優(yōu)點不僅是加速驗證程序，也可以節(jié)省驗證成本，過去為了加速驗證，必須動用大量的計算機，讓眾多的計算機同時都執(zhí)行驗證程序，才能讓驗證速度提升，有時其計算機的用量甚至要用及整個運算機房內(nèi)的計算機，而今改成FPGA方式驗證后，計算機用量就可大幅減少。

要注意的是，由于芯片的電路愈來愈復(fù)雜，即便使用高階、大容量(邏輯閘)的FPGA，都很難單獨用一顆FPGA就仿真出整個新芯片，所以通常是同時用上多顆FPGA芯片，每顆FPGA芯片仿真部份的新芯片電路，然后再將多個FPGA芯片進行串連，用多個芯片來同時仿真一顆新芯片。

另外，F(xiàn)PGA雖可以進行芯片設(shè)計的功效驗證，但并不代表整個芯片的設(shè)計開發(fā)流程都可以加速，芯片電路設(shè)計的部份依舊需要工程師人工設(shè)計，只有功效驗證上可以獲得加速。再者，功效驗證完全正確后并不代表芯片就此設(shè)計完成(除非該芯片確定直接以FPGA方式出貨)，后續(xù)在正式投產(chǎn)之前，還要經(jīng)過頻率收斂、電路化簡等其它實體電路特性的調(diào)修，這方面FPGA也無從給予幫助。

數(shù)字信號處理器(DSP)

FPGA另一個新應(yīng)用是取代DSP，由于FPGA適合規(guī)劃成可同時大量平行運算組態(tài)，如此可加速數(shù)字信號運算。

所謂的「取代」，其實牽涉到價格效能比(Price Performance Rate，中國內(nèi)地方面稱為：性價比，性能價格比)問題，相同的數(shù)字信號運算工作可以用FPGA運算，也可以用DSP運算，重點在于芯片成本，一般而言FPGA的芯片價格貴過DSP，但FPGA同時間可平行執(zhí)行的數(shù)字信號運算量比DSP大，當數(shù)字信號運算的需求量夠大時，F(xiàn)PGA在價格效能比上就會超越DSP。

若更具體說明，一顆高效能的DSP約要30至200美元，而一顆高階的FPGA則約200美元，高效能的DSP同時間可以處理4個信道的數(shù)字信號，而高階的FPGA則可因應(yīng)20至40個信道以上的信號運算，如此簡單將信道數(shù)與價格相除，可明顯看出在同時多組運算時FPGA的成本低于DSP。

當然，先決條件是應(yīng)用需求上需要同時間的多組運算，并非所有的應(yīng)用都需要大量的數(shù)字信號運算，不過無線基地臺方面確實有此種需求，但無線基地臺前端的用戶裝置則沒有這類的需求，事實上現(xiàn)在確實有諸多的無線基地臺，已從過去完全只用DSP方式來進行信號收發(fā)解析處理，改成部份使用DSP、部份使用FPGA。

但是這也并非絕對，原因有二，一是FPGA仍在積極降價中，未來的價格性能比會持續(xù)提升，目前只有大量的數(shù)字信號運算是屬于FPGA較合算，但日后也會逐漸往中階、初階發(fā)展，接下來可能小規(guī)模性的基地臺(如Pico Cell、Femto Cell等)也會使用。

另一是前端用戶的數(shù)字信號運算量也在增加，特別是MIMO技術(shù)已經(jīng)進入到末端用戶產(chǎn)品上(如IEEE 802.11n標準)，同時2個、3個天線的收發(fā)將使數(shù)字信號的運算量增加，加上愈來愈多無線技術(shù)是使用OFDM調(diào)變，而OFDM的調(diào)變?yōu)楦叨绕叫谢倪\算，使用FPGA將可獲得不錯的效益。

雖然許多人看好FPGA取代DSP的后續(xù)發(fā)展，但是FPGA也并非全然無威脅，目前許多芯片業(yè)者正積極發(fā)展多核心處理器，例如Tilera公司的Tile64處理器擁有64個執(zhí)行核心，一樣可以提供大量平行的運算，而不需要使用FPGA或DSP。

如冰山般「厚實、緩慢」的推進

上述三種FPGA的新應(yīng)用，筆者個人認為往后只會更擴展、更深入地運用，而不可能回退，高效運算系統(tǒng)未來只會愈來愈常使用FPGA，芯片設(shè)計上的邏輯功效驗證也會愈來愈常用使用FPGA，并減少使用推演軟件(或稱：仿真軟件)，基地臺等應(yīng)用也是如此。

所以FPGA是厚實地擁有了這三項新應(yīng)用，未來用量與運用程度只會增加，但會慢慢地增加，因為FPGA的電路密度(或稱：晶體管數(shù)量)只會愈來愈密、運作效能只會愈來愈快，同時價格也將愈來愈低。如同冰山一樣：緩慢擴展，但每一英寸擴展卻都相當?shù)貓院穸y以回退。

△圖說：Cray XD1超級計算機內(nèi)的應(yīng)用程序加速模塊是用FPGA做協(xié)處理器，接著透過RapidArray接口連接至RapidArray的接口處理器(簡稱：RAP)，RAP另一端再以HyperTransport(簡稱：HT)接口與超級計算機的主處理器連接。（www.Cray.com）

△圖說：Cray XD1超級計算機應(yīng)用程序加速模塊部分的更仔細線路圖，其中Xilinx VIRTEX FPGA與4顆QDR II SRAM相連，同時自身也能與其它相鄰運算模塊溝通傳輸，另外也與RAP相連。（www.Cray.com）

△圖說：SGI的RASC應(yīng)用程序加速模塊，可直接加裝在SGI超級計算機機箱的上端，并透過NUMAlink 4接口與超級計算機相連，以加速原有超級計算機的應(yīng)用程序運算。

△圖說：SGI RASC加速模塊的內(nèi)部圖，中間部位的銅質(zhì)散熱片下方即是FPGA芯片，設(shè)置于周旁的則是內(nèi)存模塊，后端的黑色連接器即是NUMAlink 4接口，2組連接器表示RASC具有2組NUMAlink 4接口。

△圖說：另一款SGI RASC：RASC RC100 Blade，圖中可見大量的DDR2 SDRAM內(nèi)存模塊，容量最高可至20GB，適合在大數(shù)據(jù)量的高效運算。

△圖說：Cell寬帶引擎芯片還在電路的開發(fā)設(shè)計階段時，是先運用數(shù)顆FPGA芯片組兜出Cell的仿真電路，然后推演、驗證其功效邏輯及機制是否正確無誤，圖為Cell芯片的裸晶與一般文具圖釘?shù)捏w積比較。

△圖說：無線收發(fā)基地臺端有著同時多組數(shù)字信號的運算需求，此時就價格效能比而言使用FPGA將比使用多顆DSP合算，圖中為WiMAX基地臺端的模塊化運算機箱(東訊TECOM公司的WM5070)，機箱內(nèi)負責無線傳輸?shù)氖瞻l(fā)信號解析與演算，若WiMAX基地臺使用方位性天線，則同時間內(nèi)所需要運算的信號組數(shù)也會增加。