高性能汽車和FPGA？——共同點(diǎn)比您想象得多

 上世紀(jì)60年代以及70年代早期被認(rèn)為是“肌肉車”時(shí)代。這是從中端汽車設(shè)計(jì)采用大型發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始的。最著名的例子包括Chevelles、Fairlanes、GTO、442、Chargers和Roadrunners。同一時(shí)期，福特Mustang開(kāi)始發(fā)展“小馬汽車”，很快就引來(lái)了競(jìng)爭(zhēng)，例如Camaro、Firebird、Barracuda、AMX和Challenger等。那時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)大小是由立方英寸表示的，明顯的能看到車上的發(fā)動(dòng)機(jī)。“396”、“429”、“440”或者“455”等數(shù)字代表了性能的高低。

這些發(fā)動(dòng)機(jī)中最傳奇的當(dāng)屬426 Hemi。該發(fā)動(dòng)機(jī)自從1964年推出以來(lái)，先后發(fā)展了第一、第二、第三和第四代，NASCAR限制它后，名聲大噪。從1966年直到1971年，要符合NASCAR的批準(zhǔn)條款，或者產(chǎn)品質(zhì)量制造要求，這促使著名的“Street Hemi”面市，部分道奇和普利茅斯采用了它。

Hemi發(fā)動(dòng)機(jī)排量為7升，采用高轉(zhuǎn)速氣缸，上面是兩個(gè)籃球大小的4缸化油器，具有非常保守的425 hp額定功率。很少有汽車能夠比得上采用了Hemi的Cudas和Challengers;可能只有427 Corvette能夠與其相匹敵。

肌肉車時(shí)代一直持續(xù)到今天，可選擇的車型越來(lái)越有限了。其價(jià)格是可以接受的，大部分消費(fèi)者都買得起Camaro、Mustang、Corvette、Challenger或者Charger，這些車有V8發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到400+ hp，600-700 hp的發(fā)動(dòng)機(jī)還有其他選擇。

今天的FPGA生產(chǎn)商正在進(jìn)行類似的競(jìng)爭(zhēng)，這對(duì)于FPGA客戶非常有好處。在過(guò)去幾年中，邏輯密度、存儲(chǔ)器容量、DSP模塊、收發(fā)器速率和數(shù)量等，幾乎所有的性能指標(biāo)都在不斷增長(zhǎng)。當(dāng)然，讀者對(duì)此并不陌生。

一項(xiàng)對(duì)比是怎樣實(shí)現(xiàn)這些性能，也就是理論和實(shí)際相聯(lián)系?；氐阶畛醯募∪廛嚂r(shí)代，既有手擋也有自動(dòng)擋。忠實(shí)的發(fā)燒友選擇了手擋。在一名好司機(jī)手里，4速手擋明顯要好于低效的3速自動(dòng)擋。手擋也更省油，但那時(shí)候不太關(guān)心這些。

然而，對(duì)于現(xiàn)代的肌肉車，情況正好相反。自動(dòng)擋使用電子控制而不是油壓控制，換擋的速度在100-200ms量級(jí)，比人快得多，轉(zhuǎn)速匹配也是如此。電子控制功能幫助司機(jī)防止車輪打滑。含有換擋撥片是用于選擇自己的檔位，盡管這很難提高性能。自動(dòng)擋現(xiàn)在也很省油，這在今天很重要。檔位的相對(duì)數(shù)量現(xiàn)在反過(guò)來(lái)了。例如，現(xiàn)在的道奇挑戰(zhàn)者有8速自動(dòng)擋和6速手動(dòng)擋。當(dāng)然，很多純粹主義者不論是出于傳統(tǒng)還是手動(dòng)換擋的直接感覺(jué)，還是喜歡手擋。但這再也不與提高性能有關(guān)了。

對(duì)于FPGA，也有同樣的發(fā)展趨勢(shì)，但不是那么眾所周知。傳統(tǒng)上，F(xiàn)PGA是在Verilog或者VHDL中手動(dòng)進(jìn)行編程的，使用定點(diǎn)(整數(shù))數(shù)字表示，編程人員決定底層實(shí)現(xiàn)，例如，什么時(shí)候插入流水線寄存器等。即使是綜合和適配器工具全部自動(dòng)完成設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)的質(zhì)量也基本取決于FPGA編程人員的技術(shù)水平。

新的FPGA體系結(jié)構(gòu)開(kāi)始改變這些。例如，現(xiàn)在的Altera Arria 10 FPGA在數(shù)千個(gè)DSP模塊中內(nèi)置了單精度浮點(diǎn)引擎。使用浮點(diǎn)，F(xiàn)PGA編程人員在每次數(shù)字運(yùn)算后，不必再確定位寬、截?cái)嗯c飽和級(jí)，極大的簡(jiǎn)化了編程任務(wù)。浮點(diǎn)數(shù)字表示和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成這些工作。整數(shù)現(xiàn)在保留用于常見(jiàn)的功能，例如，循環(huán)計(jì)數(shù)、狀態(tài)機(jī)和存儲(chǔ)器索引等。這在算法仿真和實(shí)現(xiàn)之間建立了直接通路，保持了系統(tǒng)和FPGA工程師之間的一致性。

使用傳統(tǒng)的Verilog和VHDL設(shè)計(jì)流程支持這些特性的實(shí)現(xiàn)，仍然會(huì)繼續(xù)主導(dǎo)FPGA設(shè)計(jì)流程。但是，還有其他設(shè)計(jì)流程。OpenCL是GP-GPU編程人員的語(yǔ)言，現(xiàn)在針對(duì)FPGA進(jìn)行了優(yōu)化，提供真正的“按鍵式”編譯體驗(yàn)。

采用基于模型的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可以繼續(xù)留在Mathworks環(huán)境中，也能夠獲得最佳結(jié)果，很多復(fù)雜的大吞吐量參考設(shè)計(jì)證明了這一點(diǎn)。

與手擋相似，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)人員仍然可以選擇像以前一樣進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)也會(huì)跟以前一樣工作。但是，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，新的自動(dòng)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)相同甚至更優(yōu)的結(jié)果。而且，隨著邏輯密度的快速增長(zhǎng)，很多工程師會(huì)發(fā)現(xiàn)他們沒(méi)有足夠的時(shí)間像以前一樣手動(dòng)優(yōu)化大規(guī)模FPGA設(shè)計(jì)。就像高性能肌肉車一樣，在FPGA世界中，應(yīng)該開(kāi)始發(fā)揮自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)了。