FPGA新兴应用趋势洞悉

以市场观点来看，许多人只会重视FPGA的大量型应用，例如用FPGA取代ASIC。 但就技术角度来看，FPGA的应用拓展就更为多样且具意义，这包括用FPGA加速高效运算、用FPGA加速电路设计验证、用FPGA取代大量性的DSP运算。 由于掩膜成本的指数性攀升，许多中等用量规模(约50万颗以下)的芯片无法如过去般以ASIC方式投产，且不得不改以FPGA投产，如此使近年来FPGA的市场不断增长。 FPGA侵蚀原有ASIC市场的用量极为可观的，此也成为近年来众人关注FPGA的首要焦点，不过也因为过于聚焦在高用量、大市场的观察，使FPGA的其它新应用发展被人所忽略，但这些应用却也极具意义。所以，以下本文将针对FPGA的新应用进行更多的了解与说明。 高效运算(HighPerformanceComputing；HPC) 高效运算所指的即是军方、政府机关、学术研究单位所用的超级计算机(Supercomputer)，另外部分企业内的工程、科技运算也含括在内，这类型的计算机拥有极高的运算效能，然近年来为了进一步提升系统效能，因此开始将FPGA运用于系统中。 首先是CrayResearch，该公司的超级计算机：XD1就有用上FPGA，XD1用的是Xilinx(赛灵思)公司的VIRTEX系列FPGA。XD1机内有所谓的FPGA应用程序加速模块(FPGAApplicationAccelerationModule)，模块等于是机内的一个小型辅助运算系统，VIRTEX是模块内的主控芯片，等于是一个协同处理器(Co-Processor)，只不过这个协同处理器与ASIC型式的协同处理器不同，FPGA具有可程序化的功效，因此VIRTEX是一颗可程序化的协同处理器。 运算模块内除了有FPGA的协同处理器外，处理器也必须搭配内存才能行使运算，所以FPGA会再连接4颗QDRIISRAM(极高速性的内存)，然后模块一方面用HyperTransport与XD1的主处理器相连，另一方面也连往XD1的特有高速I/O界面：RapidArray。 接着，由于高效运算多是执行大量重复性的运算，例如气象预测、风洞测试等，所以可以将执行的应用程序转化成FPGA内的组态(Configuration，中国内地方面称为：配置)程序，以硬件线路方式来执行运算，如此将比过往用纯软件方式执行快上数倍至数十倍的效能，甚至在特定的应用运算上能达一百倍以上的效能。 更仔细而言，其实是将整个应用程序中重复性最高、且最经常呼用(Call，呼叫使用，中国内地方面称为：调用)的函式库(Library，中国内地方面称为：库)进行转化，改以FPGA的硬件线路执行，如此就能够以最小的转化心力获得最大的加速效果。 Cray如此，与Cray同为高效运算市场的另一家业者：SGI(视算科技)也实行相同的作法，SGI提出所谓的RASC(ReconfigurableApplicationSpecificComputing；RASC)，中文可称为：可组态化应用程序性运算，RASC也是以模块方式让原有的超级计算机能获得加速效果。 SGI的作法与Cray有部分相同也有部分不同，Cray是将模块设置在原有超级计算机的机内，而SGI则是运用既有超级计算机机箱的上部来加搭加速模块，不过就功效机制而言两者异曲同工，此外两者都使用Xilinx的VIRTEX系列FPGA，但是内存与I/O部分两家也实行不同的设计，Cray是使用QDRIISRAM，SGI则是可实行QDRSRAM，或者也可用DDR2SDRAM，前者容量少(80MB)但速度快，后者容量大(20GB)而速度慢，提供两种选择的原因是可依据不同的应用程序特性来选用。 另外，高效运算业者通常有独门的机内通讯传输技术，RapidArray即是Cray的独家技术，而SGI自身也有独家的传输技术，即NUMAlink4(已是第四代技术)，所以SGI的RASC不是使用RapidArray，而是使用NUMAlink4。 其实Cray系统内所用的FPGA模块是与DRCComputer公司技术合作而成，因此DRCComputer自身也有提供相近方案，DRC的RPU(ReconfigurableProcessorUnits)同样也是用FPGA来加速，一样是用XilinxVIRTEXFPGA，但与主系统间的连接接口改成AMDOpteron处理器的接座接口，如此一般使用AMDOpteron处理器的x86服务器也可以加装RPU来提升高效运算的效能。 芯片开发时的逻辑功效验证 FPGA的另一个新应用是芯片开发时的逻辑功效验证。过去数字芯片在设计开发时，每开发至一个阶段就必须对已经完成的电路进行逻辑上、机制上的功效验证，以了解设计是否有误，关于此多是用计算机软件程序来进行逻辑推演(Simulation)，不过用计算机程序来进行验证，其推演速度相当慢，所以每一项验证都要经过漫长等待才能知道结果。 对此或许有人会说：可以使用更快速的计算机来加快验证，但这其实是鸡与蛋的问题，计算机效能提升其实是因为芯片效能愈来愈高，芯片效能愈来愈高原因可用摩尔定律来解释，在摩尔定律下，芯片开发速度变快、同时也让芯片更复杂，所以「计算机的更快速」与「芯片的更复杂」是连动的，使用了更快速的计算机，也意味着要推演、验证更复杂设计的芯片，最根本的问题并还没有真正解决。 不过，由于FPGA的电路密度、运作效能在近年来大幅提升，所以开始有人提议用FPGA来取代纯计算机执行的验证软件，如此推演速度就可以获得大幅提升。举例来说，IBM、Sony、Toshiba三家业者所共同合作开发的Cell芯片，当芯片还在开发阶段时就已经使用FPGA来推演验证，以加速了解设计上的正确性。更具体来说，就是将新芯片的逻辑电路加载到FPGA，让FPGA充当新芯片来执行。 改采FPGA方式来验证，其优点不仅是加速验证程序，也可以节省验证成本，过去为了加速验证，必须动用大量的计算机，让众多的计算机同时都执行验证程序，才能让验证速度提升，有时其计算机的用量甚至要用及整个运算机房内的计算机，而今改成FPGA方式验证后，计算机用量就可大幅减少。 要注意的是，由于芯片的电路愈来愈复杂，即便使用高阶、大容量(逻辑闸)的FPGA，都很难单独用一颗FPGA就仿真出整个新芯片，所以通常是同时用上多颗FPGA芯片，每颗FPGA芯片仿真部份的新芯片电路，然后再将多个FPGA芯片进行串连，用多个芯片来同时仿真一颗新芯片。 另外，FPGA虽可以进行芯片设计的功效验证，但并不代表整个芯片的设计开发流程都可以加速，芯片电路设计的部份依旧需要工程师人工设计，只有功效验证上可以获得加速。再者，功效验证完全正确后并不代表芯片就此设计完成(除非该芯片确定直接以FPGA方式出货)，后续在正式投产之前，还要经过频率收敛、电路化简等其它实体电路特性的调修，这方面FPGA也无从给予帮助。 数字信号处理器(DSP) FPGA另一个新应用是取代DSP，由于FPGA适合规划成可同时大量平行运算组态，如此可加速数字信号运算。 所谓的「取代」，其实牵涉到价格效能比(PricePerformanceRate，中国内地方面称为：性价比，性能价格比)问题，相同的数字信号运算工作可以用FPGA运算，也可以用DSP运算，重点在于芯片成本，一般而言FPGA的芯片价格贵过DSP，但FPGA同时间可平行执行的数字信号运算量比DSP大，当数字信号运算的需求量够大时，FPGA在价格效能比上就会超越DSP。 若更具体说明，一颗高效能的DSP约要30至200美元，而一颗高阶的FPGA则约200美元，高效能的DSP同时间可以处理4个信道的数字信号，而高阶的FPGA则可因应20至40个信道以上的信号运算，如此简单将信道数与价格相除，可明显看出在同时多组运算时FPGA的成本低于DSP。 当然，先决条件是应用需求上需要同时间的多组运算，并非所有的应用都需要大量的数字信号运算，不过无线基地台方面确实有此种需求，但无线基地台前端的用户装置则没有这类的需求，事实上现在确实有诸多的无线基地台，已从过去完全只用DSP方式来进行信号收发解析处理，改成部份使用DSP、部份使用FPGA。 但是这也并非绝对，原因有二，一是FPGA仍在积极降价中，未来的价格性能比会持续提升，目前只有大量的数字信号运算是属于FPGA较合算，但日后也会逐渐往中阶、初阶发展，接下来可能小规模性的基地台(如PicoCell、FemtoCell等)也会使用。 另一是前端用户的数字信号运算量也在增加，特别是MIMO技术已经进入到末端用户产品上(如IEEE802.11n标准)，同时2个、3个天线的收发将使数字信号的运算量增加，加上愈来愈多无线技术是使用OFDM调变，而OFDM的调变为高度平行化的运算，使用FPGA将可获得不错的效益。 虽然许多人看好FPGA取代DSP的后续发展，但是FPGA也并非全然无威胁，目前许多芯片业者正积极发展多核心处理器，例如Tilera公司的Tile64处理器拥有64个执行核心，一样可以提供大量平行的运算，而不需要使用FPGA或DSP。 如冰山般「厚实、缓慢」的推进 上述三种FPGA的新应用，笔者个人认为往后只会更扩展、更深入地运用，而不可能回退，高效运算系统未来只会愈来愈常使用FPGA，芯片设计上的逻辑功效验证也会愈来愈常用使用FPGA，并减少使用推演软件(或称：仿真软件)，基地台等应用也是如此。 所以FPGA是厚实地拥有了这三项新应用，未来用量与运用程度只会增加，但会慢慢地增加，因为FPGA的电路密度(或称：晶体管数量)只会愈来愈密、运作效能只会愈来愈快，同时价格也将愈来愈低。如同冰山一样：缓慢扩展，但每一英寸扩展却都相当地坚厚而难以回退。 △图说：CrayXD1超级计算机内的应用程序加速模块是用FPGA做协处理器，接着透过RapidArray接口连接至RapidArray的接口处理器(简称：RAP)，RAP另一端再以HyperTransport(简称：HT)接口与超级计算机的主处理器连接。（） △图说：CrayXD1超级计算机应用程序加速模块部分的更仔细线路图，其中XilinxVIRTEXFPGA与4颗QDRIISRAM相连，同时自身也能与其它相邻运算模块沟通传输，另外也与RAP相连。（） △图说：SGI的RASC应用程序加速模块，可直接加装在SGI超级计算机机箱的上端，并透过NUMAlink4接口与超级计算机相连，以加速原有超级计算机的应用程序运算。（） △图说：SGIRASC加速模块的内部图，中间部位的铜质散热片下方即是FPGA芯片，设置于周旁的则是内存模块，后端的黑色连接器即是NUMAlink4接口，2组连接器表示RASC具有2组NUMAlink4接口。（） △图说：另一款SGIRASC：RASCRC100Blade，图中可见大量的DDR2SDRAM内存模块，容量最高可至20GB，适合在大数据量的高效运算。（） △图说：Cell宽带引擎芯片还在电路的开发设计阶段时，是先运用数颗FPGA芯片组兜出Cell的仿真电路，然后推演、验证其功效逻辑及机制是否正确无误，图为Cell芯片的裸晶与一般文具图钉的体积比较。（）△图说：无线收发基地台端有着同时多组数字信号的运算需求，此时就价格效能比而言使用FPGA将比使用多颗DSP合算，图中为WiMAX基地台端的模块化运算机箱(东讯TECOM公司的WM5070)，机箱内负责无线传输的收发信号解析与演算，若WiMAX基地台使用方位性天线，则同时间内所需要运算的信号组数也会增加。

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