FPGA新興應(yīng)用趨勢(shì)洞悉

       以市場(chǎng)觀點(diǎn)來看，許多人只會(huì)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，FPGA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(yùn)算、用FPGA加速電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證、用FPGA取代大量性的DSP運(yùn)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(chǎng)不斷增長(zhǎng)。

       FPGA侵蝕原有ASIC市場(chǎng)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(diǎn)，不過也因?yàn)檫^于聚焦在高用量、大市場(chǎng)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(duì)FPGA的新應(yīng)用進(jìn)行更多的了解與說明。

      高效運(yùn)算(High Performance Computing；HPC)

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

      首先是Cray Research，該公司的超級(jí)計(jì)算機(jī)：XD1就有用上FPGA，XD1用的是Xilinx(賽靈思)公司的VIRTEX系列FPGA。XD1機(jī)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(jī)內(nèi)的一個(gè)小型輔助運(yùn)算系統(tǒng)，VIRTEX是模塊內(nèi)的主控芯片，等于是一個(gè)協(xié)同處理器(Co-Processor)，只不過這個(gè)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(yùn)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(yùn)算，所以FPGA會(huì)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(yùn)算多是執(zhí)行大量重復(fù)性的運(yùn)算，例如氣象預(yù)測(cè)、風(fēng)洞測(cè)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(guó)內(nèi)地方面稱為：配置)程序，以硬件線路方式來執(zhí)行運(yùn)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(yùn)算上能達(dá)一百倍以上的效能。

      更仔細(xì)而言，其實(shí)是將整個(gè)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(guó)內(nèi)地方面稱為：調(diào)用)的函式庫(kù)(Library，中國(guó)內(nèi)地方面稱為：庫(kù))進(jìn)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(yùn)算市場(chǎng)的另一家業(yè)者：SGI(視算科技)也實(shí)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(yùn)算，RASC也是以模塊方式讓原有的超級(jí)計(jì)算機(jī)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(jí)計(jì)算機(jī)的機(jī)內(nèi)，而SGI則是運(yùn)用既有超級(jí)計(jì)算機(jī)機(jī)箱的上部來加搭加速模塊，不過就功效機(jī)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(shí)行不同的設(shè)計(jì)，Cray是使用QDR II SRAM，SGI則是可實(shí)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(yùn)算業(yè)者通常有獨(dú)門的機(jī)內(nèi)通訊傳輸技術(shù)，RapidArray即是Cray的獨(dú)家技術(shù)，而SGI自身也有獨(dú)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(shí)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(yùn)算的效能。

      芯片開發(fā)時(shí)的邏輯功效驗(yàn)證

      FPGA的另一個(gè)新應(yīng)用是芯片開發(fā)時(shí)的邏輯功效驗(yàn)證。過去數(shù)字芯片在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，每開發(fā)至一個(gè)階段就必須對(duì)已經(jīng)完成的電路進(jìn)行邏輯上、機(jī)制上的功效驗(yàn)證，以了解設(shè)計(jì)是否有誤，關(guān)于此多是用計(jì)算機(jī)軟件程序來進(jìn)行邏輯推演(Simulation)，不過用計(jì)算機(jī)程序來進(jìn)行驗(yàn)證，其推演速度相當(dāng)慢，所以每一項(xiàng)驗(yàn)證都要經(jīng)過漫長(zhǎng)等待才能知道結(jié)果。

      對(duì)此或許有人會(huì)說：可以使用更快速的計(jì)算機(jī)來加快驗(yàn)證，但這其實(shí)是雞與蛋的問題，計(jì)算機(jī)效能提升其實(shí)是因?yàn)樾酒苡鷣碛?，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(shí)也讓芯片更復(fù)雜，所以「計(jì)算機(jī)的更快速」與「芯片的更復(fù)雜」是連動(dòng)的，使用了更快速的計(jì)算機(jī)，也意味著要推演、驗(yàn)證更復(fù)雜設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)算機(jī)執(zhí)行的驗(yàn)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(dāng)芯片還在開發(fā)階段時(shí)就已經(jīng)使用FPGA來推演驗(yàn)證，以加速了解設(shè)計(jì)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(dāng)新芯片來執(zhí)行。

      改采FPGA方式來驗(yàn)證，其優(yōu)點(diǎn)不僅是加速驗(yàn)證程序，也可以節(jié)省驗(yàn)證成本，過去為了加速驗(yàn)證，必須動(dòng)用大量的計(jì)算機(jī)，讓眾多的計(jì)算機(jī)同時(shí)都執(zhí)行驗(yàn)證程序，才能讓驗(yàn)證速度提升，有時(shí)其計(jì)算機(jī)的用量甚至要用及整個(gè)運(yùn)算機(jī)房?jī)?nèi)的計(jì)算機(jī)，而今改成FPGA方式驗(yàn)證后，計(jì)算機(jī)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(dú)用一顆FPGA就仿真出整個(gè)新芯片，所以通常是同時(shí)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(gè)FPGA芯片進(jìn)行串連，用多個(gè)芯片來同時(shí)仿真一顆新芯片。

      另外，F(xiàn)PGA雖可以進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的功效驗(yàn)證，但并不代表整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)開發(fā)流程都可以加速，芯片電路設(shè)計(jì)的部份依舊需要工程師人工設(shè)計(jì)，只有功效驗(yàn)證上可以獲得加速。再者，功效驗(yàn)證完全正確后并不代表芯片就此設(shè)計(jì)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(jiǎn)等其它實(shí)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(hào)處理器(DSP)

      FPGA另一個(gè)新應(yīng)用是取代DSP，由于FPGA適合規(guī)劃成可同時(shí)大量平行運(yùn)算組態(tài)，如此可加速數(shù)字信號(hào)運(yùn)算。

      所謂的「取代」，其實(shí)牽涉到價(jià)格效能比(Price Performance Rate，中國(guó)內(nèi)地方面稱為：性價(jià)比，性能價(jià)格比)問題，相同的數(shù)字信號(hào)運(yùn)算工作可以用FPGA運(yùn)算，也可以用DSP運(yùn)算，重點(diǎn)在于芯片成本，一般而言FPGA的芯片價(jià)格貴過DSP，但FPGA同時(shí)間可平行執(zhí)行的數(shù)字信號(hào)運(yùn)算量比DSP大，當(dāng)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算的需求量夠大時(shí)，F(xiàn)PGA在價(jià)格效能比上就會(huì)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(shí)間可以處理4個(gè)信道的數(shù)字信號(hào)，而高階的FPGA則可因應(yīng)20至40個(gè)信道以上的信號(hào)運(yùn)算，如此簡(jiǎn)單將信道數(shù)與價(jià)格相除，可明顯看出在同時(shí)多組運(yùn)算時(shí)FPGA的成本低于DSP。

      當(dāng)然，先決條件是應(yīng)用需求上需要同時(shí)間的多組運(yùn)算，并非所有的應(yīng)用都需要大量的數(shù)字信號(hào)運(yùn)算，不過無線基地臺(tái)方面確實(shí)有此種需求，但無線基地臺(tái)前端的用戶裝置則沒有這類的需求，事實(shí)上現(xiàn)在確實(shí)有諸多的無線基地臺(tái)，已從過去完全只用DSP方式來進(jìn)行信號(hào)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(duì)，原因有二，一是FPGA仍在積極降價(jià)中，未來的價(jià)格性能比會(huì)持續(xù)提升，目前只有大量的數(shù)字信號(hào)運(yùn)算是屬于FPGA較合算，但日后也會(huì)逐漸往中階、初階發(fā)展，接下來可能小規(guī)模性的基地臺(tái)(如Pico Cell、Femto Cell等)也會(huì)使用。

      另一是前端用戶的數(shù)字信號(hào)運(yùn)算量也在增加，特別是MIMO技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到末端用戶產(chǎn)品上(如IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn))，同時(shí)2個(gè)、3個(gè)天線的收發(fā)將使數(shù)字信號(hào)的運(yùn)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\(yùn)算，使用FPGA將可獲得不錯(cuò)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(gè)執(zhí)行核心，一樣可以提供大量平行的運(yùn)算，而不需要使用FPGA或DSP。

      如冰山般「厚實(shí)、緩慢」的推進(jìn)

      上述三種FPGA的新應(yīng)用，筆者個(gè)人認(rèn)為往后只會(huì)更擴(kuò)展、更深入地運(yùn)用，而不可能回退，高效運(yùn)算系統(tǒng)未來只會(huì)愈來愈常使用FPGA，芯片設(shè)計(jì)上的邏輯功效驗(yàn)證也會(huì)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(tái)等應(yīng)用也是如此。

      所以FPGA是厚實(shí)地?fù)碛辛诉@三項(xiàng)新應(yīng)用，未來用量與運(yùn)用程度只會(huì)增加，但會(huì)慢慢地增加，因?yàn)镕PGA的電路密度(或稱：晶體管數(shù)量)只會(huì)愈來愈密、運(yùn)作效能只會(huì)愈來愈快，同時(shí)價(jià)格也將愈來愈低。如同冰山一樣：緩慢擴(kuò)展，但每一英寸擴(kuò)展卻都相當(dāng)?shù)貓?jiān)厚而難以回退。 

  
    


      △圖說：Cray XD1超級(jí)計(jì)算機(jī)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(jiǎn)稱：RAP)，RAP另一端再以HyperTransport(簡(jiǎn)稱：HT)接口與超級(jí)計(jì)算機(jī)的主處理器連接。（www.Cray.com）



      △圖說：Cray XD1超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序加速模塊部分的更仔細(xì)線路圖，其中Xilinx VIRTEX FPGA與4顆QDR II SRAM相連，同時(shí)自身也能與其它相鄰運(yùn)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(jí)計(jì)算機(jī)機(jī)箱的上端，并透過NUMAlink 4接口與超級(jí)計(jì)算機(jī)相連，以加速原有超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序運(yùn)算。（www.SGI.com）

      

      △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。（www.SGI.com） 

 
       


      △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(yùn)算。（www.SGI.com）
                 


      △圖說：Cell寬帶引擎芯片還在電路的開發(fā)設(shè)計(jì)階段時(shí)，是先運(yùn)用數(shù)顆FPGA芯片組兜出Cell的仿真電路，然后推演、驗(yàn)證其功效邏輯及機(jī)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。（www.IBM.com） 

  
           


      △圖說：無線收發(fā)基地臺(tái)端有著同時(shí)多組數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算需求，此時(shí)就價(jià)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(tái)端的模塊化運(yùn)算機(jī)箱(東訊TECOM公司的WM5070)，機(jī)箱內(nèi)負(fù)責(zé)無線傳輸?shù)氖瞻l(fā)信號(hào)解析與演算，若WiMAX基地臺(tái)使用方位性天線，則同時(shí)間內(nèi)所需要運(yùn)算的信號(hào)組數(shù)也會(huì)增加。