很多世界頂尖的“建筑師”可能是你從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)的人，他們?cè)O(shè)計(jì)并創(chuàng)造出了很多你可能從未見(jiàn)過(guò)的神奇結(jié)構(gòu)，比如在芯片內(nèi)部的復(fù)雜體系。制造芯片的基本材料源于沙子，但芯片本身已經(jīng)成為人們當(dāng)代生活不可或缺的東西。如果你使用手機(jī)、電腦，或者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)收發(fā)信息，那么你就無(wú)時(shí)無(wú)刻不在受益于這些建筑師們的偉大工作。
FPGA是芯片的其中一種，從上世紀(jì)八十年代誕生起，F(xiàn)PGA已經(jīng)從簡(jiǎn)單的可編程門(mén)陣列，發(fā)展成為了有著大量可編程邏輯的復(fù)雜片上系統(tǒng)。除了硬件結(jié)構(gòu)之外，F(xiàn)PGA的開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用場(chǎng)景也都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和擴(kuò)展，F(xiàn)PGA在整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的重要性也在不斷增強(qiáng)。FPGA芯片的演進(jìn)，離不開(kāi)這些“建筑師”的不斷發(fā)明創(chuàng)造。
幾年前，這些FPGA的頂級(jí)建筑師們選出了自上世紀(jì)九十年代起的20年以來(lái)FPGA領(lǐng)域最有影響力的25個(gè)研究成果。通過(guò)這些重要的成果，我們會(huì)理解FPGA是如何發(fā)展至今，并且知道FPGA技術(shù)未來(lái)將會(huì)發(fā)展向何處。
這25個(gè)研究成果按研究領(lǐng)域分為架構(gòu)、EDA工具、電路、應(yīng)用等大類，每項(xiàng)成果都由一名該領(lǐng)域的頂級(jí)學(xué)者做推介。接下來(lái)，我將在幾篇文章里，分別介紹這這些改變了FPGA發(fā)展進(jìn)程的重要研究成果。本文是系統(tǒng)架構(gòu)篇。
（本文介紹的5項(xiàng)成果原文，均已上傳至知識(shí)星球：老石談芯進(jìn)階版，請(qǐng)?jiān)谖哪叽a進(jìn)入星球查看）
01
FPGA與SIMD陣列的結(jié)合與統(tǒng)一
一句話總結(jié)：FPGA作為并行計(jì)算加速器的開(kāi)山之作
英文名：Unifying FPGAs and SMID Arrays
作者：Michael Bolotski, Andre? DeHon, Thomas F. Knight, Jr.
發(fā)表時(shí)間：1994年
推介人：Jonathan Rose（多倫多大學(xué)）
Andre? DeHon（現(xiàn)任賓夕法尼亞大學(xué)教授）
這項(xiàng)成果在哲學(xué)的角度重新審視了FPGA這種計(jì)算“介質(zhì)”，并將其與單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）方法聯(lián)系起來(lái)，以進(jìn)行常規(guī)計(jì)算的并行加速。這個(gè)工作最早揭示了FPGA和SIMD這兩種計(jì)算方法如何被看成是一個(gè)連續(xù)的整體，并在某種意義上將二者結(jié)合和統(tǒng)一。
這項(xiàng)成果提出了一種混合架構(gòu)，名為“動(dòng)態(tài)可編程門(mén)陣列（DPGA）”。在這種架構(gòu)中，用來(lái)配置邏輯和布線的比特流（bitstream）位于特殊設(shè)計(jì)過(guò)的本地存儲(chǔ)單元中，并會(huì)不斷的快速變化。在DPGA里，有一個(gè)中央上下文標(biāo)識(shí)器（central context identifier），負(fù)責(zé)決定從本地內(nèi)存中加載哪些配置，如下圖所示。
通過(guò)使用這種方法，使DPGA架構(gòu)在某種程度上類似于SIMD。具體來(lái)說(shuō)，如果這些本地內(nèi)存里的內(nèi)容相同，那么就會(huì)執(zhí)行相同的“指令”；反之，如果本地內(nèi)存中的內(nèi)容不同，那么每個(gè)處理單元就會(huì)各自為戰(zhàn)。這使得DPGA既可以并行處理數(shù)據(jù)，也可以串行處理數(shù)據(jù)。
此外，這項(xiàng)成果還對(duì)這種新的計(jì)算體系架構(gòu)的成本和收益進(jìn)行了深入的分析。
這項(xiàng)成果是關(guān)于DPGA的一系列富有影響力的成果的開(kāi)山之作，也是第一批探討FPGA編程里上下文的工作之一。雖然這種可編程架構(gòu)并未成為業(yè)界主流，但它啟發(fā)了諸多后續(xù)的高質(zhì)量工作，并為來(lái)者奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
02
一種高速的層次化同步可編程陣列
一句話總結(jié)：高性能、高時(shí)鐘頻率FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)與時(shí)序優(yōu)化算法的開(kāi)創(chuàng)性探索
英文名：HSRA: High-Speed, Hierarchical Synchronous Reconfigurable Array
作者：William Tsu, Kip Macy, Atul Joshi, Randy Huang, Tony Tung, Omid Rowhani, Varghese George, John Wawrzynek, Andre? DeHon
發(fā)表時(shí)間：1999年
推介人：Carl Ebeling（華盛頓大學(xué)）
這項(xiàng)工作專注于解答這樣的一個(gè)問(wèn)題：是否有可能設(shè)計(jì)一個(gè)FPGA架構(gòu)，使其能和處理器或ASIC的時(shí)鐘頻率一較高下？
通常情況下，F(xiàn)PGA比CPU或ASIC的時(shí)鐘頻率要慢5到10倍，這主要受制于于FPGA內(nèi)部的邏輯延時(shí)與互連延時(shí)。而這項(xiàng)工作則希望通過(guò)結(jié)合FPGA架構(gòu)創(chuàng)新和CAD工具創(chuàng)新兩方面，使得FPGA的性能上升到一個(gè)新的臺(tái)階。
總體而言，這項(xiàng)工作采用的方法是根據(jù)特定的時(shí)鐘頻率設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)。事實(shí)上，這與傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)方法完全相左。然而通過(guò)這種方式，設(shè)計(jì)者可以精確的定義一個(gè)時(shí)鐘周期中邏輯層的數(shù)量、互聯(lián)和距離等，這樣可以得到一個(gè)包括可編程互聯(lián)在內(nèi)的高度流水化的結(jié)構(gòu)。
HSRA最新穎的地方在于它的樹(shù)形分層互聯(lián)結(jié)構(gòu)，如下圖所示。這種架構(gòu)允許連接通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式完成，因此就可以得到任意兩點(diǎn)間的距離和延時(shí)。利用這些信息，就可以從時(shí)序的角度解決很多布局和布線問(wèn)題。
另一方面，并不是所有設(shè)計(jì)都可以按照HSRA架構(gòu)進(jìn)行深度流水線優(yōu)化。為了解決這個(gè)問(wèn)題，這項(xiàng)工作創(chuàng)造性的采用了名為C-slowing的方法，通過(guò)在電路中引入額外的并行性，來(lái)處理和補(bǔ)償當(dāng)設(shè)計(jì)中包含較大反饋時(shí)帶來(lái)的延時(shí)。C-slowing也在后來(lái)逐漸成為了retiming的主流方法之一。
綜上所述，這項(xiàng)工作在FPGA體系結(jié)構(gòu)這個(gè)領(lǐng)域中開(kāi)拓出了一個(gè)新的方向，那就是針對(duì)時(shí)序和高性能的FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)。HSRA架構(gòu)本身由于與傳統(tǒng)FPGA的差別太大，從而沒(méi)有在商業(yè)化的道路上走遠(yuǎn)，但這個(gè)工作中的很多思路和方法，都對(duì)現(xiàn)代FPGA架構(gòu)的演進(jìn)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
03
Virtex-II FPGA的動(dòng)態(tài)功耗
一句話總結(jié)：現(xiàn)代FPGA動(dòng)態(tài)功耗分析、建模與優(yōu)化方法的開(kāi)山之作
英文名：Dynamic Power Consumption in Virtex-II FPGA Family
作者：Li Shang, Alireza Kaviani, Kusuma Bathala
發(fā)表時(shí)間：2002年
推介人：Russ Tessier（馬薩諸塞大學(xué)）
在這項(xiàng)工作之前，很少有研究專門(mén)討論FPGA的功耗問(wèn)題。因此，這項(xiàng)成果為研究者深入理解FPGA的功耗、并進(jìn)行功耗優(yōu)化邁出了重要的第一步。
關(guān)于功耗，業(yè)界一直假設(shè)互聯(lián)功耗是FPGA動(dòng)態(tài)功耗的主要來(lái)源。這項(xiàng)工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這一假設(shè)是正確的。在對(duì)動(dòng)態(tài)功耗的分析過(guò)程中，這項(xiàng)工作研究了FPGA中不同結(jié)構(gòu)對(duì)功耗的影響，從而為后來(lái)針對(duì)功耗優(yōu)化的CAD算法的出現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)仿真和物理實(shí)測(cè)，這項(xiàng)成果提出的功耗分布結(jié)果是非?？尚诺模?jiàn)下圖。
業(yè)界對(duì)于FPGA功耗優(yōu)化的興趣始于大約十年之前，在當(dāng)時(shí)FPGA的功耗優(yōu)化剛剛成為僅次于面積和延時(shí)優(yōu)化之外的另一個(gè)主要的優(yōu)化方向。這項(xiàng)工作不僅提供了在FPGA上動(dòng)態(tài)功耗的分布結(jié)果，還為今后十年間的功耗分析和優(yōu)化算法提供了詳細(xì)的方法論支持。
這項(xiàng)工作還是一個(gè)工業(yè)界與學(xué)術(shù)界緊密合作的典型代表。在這項(xiàng)工作中，賽靈思提供了FPGA器件的模型和數(shù)據(jù)集，并提供了先進(jìn)的動(dòng)態(tài)功耗分析方法和技術(shù)。由于學(xué)術(shù)界對(duì)Virtex II FPGA架構(gòu)比較熟悉，因此不需要FPGA廠商公布額外的機(jī)密信息，使得這項(xiàng)工作使用的方法論有著很強(qiáng)的通用性。
04
Stratix FPGA的布線和邏輯架構(gòu)
一句話總結(jié)：奠定五代Stratix核心架構(gòu)的基石之作
英文名：The Stratix Routing and Logic Architecture
作者：David Lewis, Vaughn Betz, David Jefferson, Andy Lee, Chris Lane, Paul Leventis, Sandy Marquardt, Cameron McClintock, Bruce Pedersen, Giles Powell, Srinivas Reddy, Chris Wysocki, Richard Cliff, Jonathan Rose
發(fā)表時(shí)間：2003年
推介人：Herman Schmit（卡耐基梅隆大學(xué)）
Vaughn Betz（現(xiàn)任多倫多大學(xué)教授）
在過(guò)去的很多年中，由Jonathan Rose教授領(lǐng)導(dǎo)的多倫多大學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了名為VPR的FPGA設(shè)計(jì)工具套件，并用來(lái)設(shè)計(jì)和探索簡(jiǎn)化過(guò)的FPGA系統(tǒng)架構(gòu)和微架構(gòu)。VPR包含F(xiàn)PGA后端設(shè)計(jì)的很多算法和流程，包含邏輯封裝、布局和布線等等，這使得很多的FPGA架構(gòu)問(wèn)題都可以借助VPR進(jìn)行量化分析。而這也使得多倫多大學(xué)成為了全球最重要的FPGA學(xué)術(shù)研究中心之一。
在1998年，Jonathan Rose教授創(chuàng)辦了一個(gè)名為RightTrack CAD的初創(chuàng)公司，其主旨就是將VPR進(jìn)行商業(yè)轉(zhuǎn)化。與此同時(shí)，Altera也在努力改進(jìn)他們的FPGA架構(gòu)，以應(yīng)對(duì)賽靈思成功的Virtex系列帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)。在2000年，Altera收購(gòu)了RightTrack，并開(kāi)發(fā)了Altera FPGA建模工具包（Modelling Toolkit），用來(lái)優(yōu)化他們的第一代Stratix FPGA架構(gòu)。
這項(xiàng)成果就詳細(xì)介紹了Stratix架構(gòu)的技術(shù)細(xì)節(jié)，見(jiàn)下圖。更重要的是，它系統(tǒng)闡述了架構(gòu)師在設(shè)計(jì)Stratix時(shí)所作決策的具體過(guò)程。這項(xiàng)工作證明了VPR所采用的定量分析方法同樣適用于分析實(shí)際的性能和設(shè)計(jì)指標(biāo)，如FPGA的物理面積和關(guān)鍵路徑延時(shí)等。這些方法和工具已經(jīng)被用于至少5代Stratix FPGA的設(shè)計(jì)。而這項(xiàng)工作也成功的展示了學(xué)術(shù)研究與工業(yè)界技術(shù)發(fā)展之間的緊密聯(lián)系與合作。
05
量化FPGA與ASIC的區(qū)別
一句話總結(jié)：FPGA基準(zhǔn)測(cè)試的標(biāo)桿之作
英文名：Measuring the Gap between FPGAs and ASICs
作者：Ian Kuon, Jonathan Rose
發(fā)表年份：2006
推介人：Herman Schmit（卡耐基梅隆大學(xué)）
Jonathan Rose（現(xiàn)任多倫多大學(xué)教授）
自發(fā)表以來(lái)，這項(xiàng)工作已被引用超過(guò)1400次。它的最主要貢獻(xiàn)之一，就是對(duì)可編程性的成本進(jìn)行了量化。這項(xiàng)工作表明，F(xiàn)PGA的核心面積要比一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ASIC單元大40倍。對(duì)于所有致力于提升和改進(jìn)FPGA架構(gòu)的工作來(lái)說(shuō)，這就是它們最主要的動(dòng)力之一。
在這項(xiàng)工作之前，F(xiàn)PGA與ASIC之間大多數(shù)的比較都基于小型電路，并且傾向于比較FPGA與掩膜可編程門(mén)陣列（mask-programmable gate arrays）。在這種情況下，F(xiàn)PGA只消耗大概10倍的額外面積。然而，到了2006年，ASIC CAD工具已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步?；诳删C合的邏輯單元的ASIC設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了業(yè)界的常見(jiàn)選擇。
從客觀上講，這里所說(shuō)的40倍面積大小實(shí)際上不夠合理，因?yàn)檫@里只考慮了FPGA核心區(qū)域的面積，同時(shí)很多邏輯和算術(shù)運(yùn)算單元都沒(méi)有使用固化的乘法器幫助實(shí)現(xiàn)。在這項(xiàng)成果中，它根據(jù)電路中是否包含算術(shù)運(yùn)算、內(nèi)存單元、結(jié)構(gòu)化邏輯以及寄存器，將待研究的基準(zhǔn)電路集分成了四大類，見(jiàn)下圖。在包含邏輯單元和算術(shù)運(yùn)算單元的電路設(shè)計(jì)中，如果FPGA架構(gòu)里包含固化的乘法器，那么相比ASIC而言FPGA的面積會(huì)大28倍。
這項(xiàng)工作更重要的貢獻(xiàn)是向人們揭示了FPGA的架構(gòu)特性（如固化的內(nèi)存單元和DSP等）與基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性。同時(shí)，這項(xiàng)工作深入分析了FPGA里固化的邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)性能和成本的影響與關(guān)聯(lián)，而這也直接對(duì)現(xiàn)代FPGA的架構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。在現(xiàn)代FPGA中，關(guān)于將哪些IP或邏輯電路采用硬核的方式實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為了影響FPGA發(fā)展的重要命題。這與諸如LUT大小、布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)FPGA架構(gòu)問(wèn)題同樣重要。
在學(xué)術(shù)界，像這樣的基準(zhǔn)測(cè)試工作總是充滿爭(zhēng)議的。因?yàn)樗鼈円丛诒容^時(shí)采用了不同的衡量標(biāo)準(zhǔn)，要么對(duì)比較的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了抽象，使得結(jié)果不具有擴(kuò)展性和通用性。然而，這項(xiàng)成果為這類工作樹(shù)立了典范，它展示了如何客觀的做比較，以及如何細(xì)致的描述比較的具體細(xì)節(jié)，這樣使得研究者可以從結(jié)果中得到自己的結(jié)論，并將這種思想應(yīng)用到今后的研究工作中。
結(jié)語(yǔ)
這五個(gè)FPGA系統(tǒng)架構(gòu)的重要工作，有的奠定了現(xiàn)代商用FPGA的基礎(chǔ)架構(gòu)，如賽靈思的Virtex和Altera的Stratix，有的開(kāi)創(chuàng)了FPGA作為并行硬件加速器的重要使用方向，有的統(tǒng)一了FPGA架構(gòu)基準(zhǔn)測(cè)試的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。更重要的是，這些工作所采用的方法論、思維方式、前瞻性與實(shí)用性的結(jié)合、以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，都為之后的學(xué)術(shù)和工業(yè)研究樹(shù)立了最高的典范。