可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)將漸入民用領(lǐng)域

    可重構(gòu)計(jì)算（Reconfigurable Computing） 技術(shù)是指在軟件的控制下，利用系統(tǒng)中的可重用資源（如FPGA等可重構(gòu)邏輯器件），根據(jù)應(yīng)用的需要重新構(gòu)造一個(gè)新的計(jì)算平臺(tái)，達(dá)到接近專用硬件設(shè)計(jì)的高性能。它避免了微處理器計(jì)算模式因?yàn)槿≈?、譯碼等步驟導(dǎo)致的性能損失，同時(shí)也消除了專用集成電路（ASIC）計(jì)算模式因?yàn)榍捌谠O(shè)計(jì)制造的復(fù)雜過程帶來的高代價(jià)和不可重用等缺陷。
 
    從某種意義上來說，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)并不是什么新技術(shù)，在上世紀(jì)五六十年代就有科學(xué)家提出了這一概念并開始研究，但由于受到硬件等諸多方面條件的限制，直到上個(gè)世紀(jì)九十年代中期，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)逐漸成形并成為研究熱點(diǎn)。

已在航天與軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用

    澳大利亞科學(xué)衛(wèi)星FedSat號(hào)（2002年12月發(fā)射升空）率先將可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)運(yùn)用于航天領(lǐng)域。這顆衛(wèi)星中采用的可重構(gòu)器件（Xilinx公司的FPGA）是衛(wèi)星高性能計(jì)算有效負(fù)載的關(guān)鍵器件。可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的采用使衛(wèi)星無須返回地面即可改變內(nèi)部電子線路，從而節(jié)省了大量的研發(fā)時(shí)間與成本。據(jù)報(bào)道，2003年時(shí)這顆衛(wèi)星的一個(gè)方向傳感器出現(xiàn)了由振動(dòng)導(dǎo)致的異常，科學(xué)家們通過發(fā)送代碼補(bǔ)丁的方法便完成了傳感器控制算法的更新，使FedSat號(hào)得以正常運(yùn)行。 此外，NASA 的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)火星車上也使用了大量可重構(gòu)邏輯器件。

    在軍事領(lǐng)域，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用要更早一些。美國(guó)在50年代末就開始了可重構(gòu)計(jì)算在導(dǎo)彈防御(BMD)中的應(yīng)用研究并一直延續(xù)至今。而美軍空軍的“寶石柱”（Pave Pillar）計(jì)劃使航空電子綜合系統(tǒng)具有較好的重構(gòu)能力，并已成功地應(yīng)用在F－22軍用飛機(jī)上。可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用使航空電子綜合系統(tǒng)的主動(dòng)容錯(cuò)能力增強(qiáng)，大大提升了飛機(jī)的可靠性。

進(jìn)軍民用領(lǐng)域

    與其他許多優(yōu)秀的技術(shù)相同，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用也將逐漸由軍事、航天等領(lǐng)域向民用領(lǐng)域過渡。這是由其自身優(yōu)勢(shì)和半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展所決定的。

    可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)在民用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。第一，可使設(shè)計(jì)者用更為簡(jiǎn)單的硬件來實(shí)現(xiàn)更多的功能。由于所有邏輯不需要同時(shí)出現(xiàn)在FPGA內(nèi)，因此，支持額外特性所需的成本降低到存放配置文件所需內(nèi)存的成本。第二，可降低系統(tǒng)的成本——對(duì)于生產(chǎn)量較小的應(yīng)用而言，可節(jié)省ASIC設(shè)計(jì)與制造所帶來的成本，而對(duì)于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品而言，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的采用使產(chǎn)品可現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的生命周期，因此而節(jié)省的成本更為可觀。另一方面，F(xiàn)PGA可通過重構(gòu)多個(gè)軟核在單片上實(shí)現(xiàn)多個(gè)指令集的處理器。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算任務(wù)的劃分，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)不同的處理器功能，達(dá)到一次芯片設(shè)計(jì)，多個(gè)功能實(shí)現(xiàn)，從而大幅度降低芯片設(shè)計(jì)和制造的NRE（Non-Recurring Expenses ，一次性工程費(fèi)用）成本。第三，可縮短產(chǎn)品周期——由于不再使用ASIC，可節(jié)省大量的芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證所需的時(shí)間，此外，可重構(gòu)特性增加了設(shè)計(jì)的靈活性，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)之初無需將所有功能加入產(chǎn)品中，新的功能可在產(chǎn)品上市后逐步添加。對(duì)于那些基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品（如機(jī)頂盒，移動(dòng)電話等）來說，升級(jí)的過程甚至無需用戶參與。[2]

    另外，F(xiàn)PGA的迅速發(fā)展為可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展提供了必要的硬件支持。作為實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的關(guān)鍵器件，F(xiàn)PGA在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)存在計(jì)算密度低、配置時(shí)間長(zhǎng)、封裝復(fù)雜、高密度芯片的靜態(tài)功耗和尺寸大等問題。在性能上不及ASIC，通用性不如處理器。因此，F(xiàn)PGA的應(yīng)用在多媒體、通信等嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合以及硬件系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)中。如今，F(xiàn)PGA已經(jīng)跨入65nm時(shí)代，并能嵌入處理器軟核、乘法器以及大量的片上存儲(chǔ)器，I/O管腳數(shù)也得到很大程度的增加。性能和通用性的不斷提升與價(jià)格和功耗的不斷降低，將使FPGA能滿足可重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)硬件的要求。

    在民用電子領(lǐng)域中，汽車電子以其特殊性給了可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)更多的表現(xiàn)機(jī)會(huì)，因此，汽車電子很有可能成為可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域的突破口。
    首先，滿足了對(duì)汽車電子產(chǎn)品對(duì)可靠性的要求。由于汽車工作在極為復(fù)雜的復(fù)合式工作環(huán)境下，因此對(duì)于汽車電子產(chǎn)品的可靠性要求較一般電子產(chǎn)品更為嚴(yán)格。與現(xiàn)在可重構(gòu)技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用相似，采用可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)有助于提升車輛的主動(dòng)容錯(cuò)能力，使車輛更加安全可靠——一方面，當(dāng)可重構(gòu)邏輯器件上出現(xiàn)錯(cuò)誤，可將可重構(gòu)邏輯器件上的一部分配置為測(cè)試模式發(fā)生器，對(duì)器件上的故障區(qū)域做測(cè)試，同時(shí)還可以利用器件上的其他資源對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，得到具體的錯(cuò)誤信息。另一方面，可重構(gòu)邏輯器件擁有大量的可重構(gòu)資源，一旦將錯(cuò)誤定位后，可以對(duì)可重構(gòu)邏輯器件重新配置，避開產(chǎn)生錯(cuò)誤的芯片區(qū)域，利用其周邊的其他可重構(gòu)資源組合替代原本在出錯(cuò)區(qū)域上實(shí)現(xiàn)的功能。這種修復(fù)方案也被稱作“可進(jìn)化硬件”(Evolvable Hardware,EHW)修復(fù)方案。

    其次，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)能夠通過動(dòng)態(tài)改變器件配置來靈活滿足多種功能需求。例如，同一款車型中可能分有標(biāo)準(zhǔn)型、豪華型等,利用可重構(gòu)器件使設(shè)計(jì)者無需設(shè)計(jì)多個(gè)原型系統(tǒng)，只需用不同的配置文件對(duì)可重構(gòu)器件進(jìn)行配置，即可使產(chǎn)品在不同車型上的功能有所區(qū)別。另外，由于汽車電子領(lǐng)域內(nèi)LIN、CAN、MOST以及FlexRay多種標(biāo)準(zhǔn)共存，利用可重構(gòu)邏輯器件作為各種標(biāo)準(zhǔn)間的橋接邏輯，可避免這些總線標(biāo)準(zhǔn)間的沖突。[6]

    除了上述兩點(diǎn)之外，與可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用相似，它在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用還可提高產(chǎn)品性能、加速產(chǎn)品開發(fā)速度并降低產(chǎn)品成本。由于該技術(shù)在汽車領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)顯而易見，目前已經(jīng)吸引到了越來越多業(yè)界廠商的關(guān)注。

    雖然在許多方面尚需完善，但毫無疑問，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)擁有光明的前景，而這種技術(shù)自身的特性決定了它絕不僅僅只適用于特殊領(lǐng)域。相信在不久的將來，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)將隨著科技的不斷發(fā)展走入民用領(lǐng)域，為我們帶來更多的便利。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鮑嘵宇　施克仁. 可重構(gòu)信息處理
http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/jsjzdclykz/jsjz2000/0001/000101.htm.
[2] Michael Barr . A Reconfigurable Primer. 
http://www.netrino.com/Articles/RCPrimer.
[3] Jeff Child . FPGAs Pave Road to Reconfigurable Computing.
http://www.cotsjournalonline.com/home/article.php?id=100043.
[4] 安虹. 超級(jí)計(jì)算背后的英雄.
http://www2.ccw.com.cn/07/0704/b/0704b05_3.html.
[5] Katherine Compton. Reconfigurable Computing : A Survey of Systems and Software.
[6] 王濤 王峰.可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用探討.電子工程專輯