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FPGA结构、编译与应用

What is FPGA? Why FPGA?

可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)是一种并行非冯架构硬件,其最大的亮点就在于可编程/可重构(reconfigurable)。

由于FPGA的每个逻辑单元在重编程/烧写时已经确定,故它不需要指令,也不需共享内存。它的逻辑块、交互连接(interconnects)、IO接口都是可编程的。

FPGA的优势在于

  • 比CPU快
  • 比GPU省功耗
  • 比ASIC便宜流片周期短

FPGA结构

FPGA上主要有两种资源,一种是逻辑(logic),一种是连接(interconnect)

逻辑资源

  • 最底层的,用真值表可以实现绝大多数算法,真值表是FPGA计算的核心,即将几个简单的逻辑表达式整合为一个真值表
  • 而实现真值表的硬件资源即为查找表(Look-up table, LUT),是FPGA最小计算单元;物理实施用N:1选择器(multiplexer)和N位存储器
  • LUT的大小和每个逻辑块内LUT的数量是需要关心的问题,目前大多FPGA采用4-LUT结构
  • LUT添加D触发器即可存储状态
    February 8, 2019 - FPGA结构、编译与应用
  • 目前的FPGA采用岛式(island-style)结构,多个LUT构成一个逻辑块(logic/function block)。在Xilinx 7系列FPGA中,每个可配置逻辑块(configurable logic block, CLB)包含两个slice,每个slice包含4个LUT。
  • 多个逻辑块就构成阵列(array)
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    这里每一个逻辑块就可以看成是岛屿,漂浮在交互连线的海洋上

连接资源

目前的FPGA结构则添加了连接块(connection block)和交换盒(switch box),将连接的部分从逻辑部分分离开来
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总结

February 8, 2019 - FPGA结构、编译与应用

  • I/O:IO块
  • CLB:Configurable Logic Block,逻辑块
  • Memory:Block RAM (BRAM),片上内存
  • DSP:Digital Signal Processing

现代的FPGA多采用异构架构,里面有定制化的DSP块,比LUT要快很多(可以理解成ASIC)
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FPGA综合流程

要将软件程序映射到硬件上运行,就要通过编译(compilation),而在硬件中则通常称为综合(synthesis),下面是FPGA的主要综合流程(参照Xilinx Vivado的流程)

graph TD;
A[“Algorithm Level”] — High-Level Synthesis –> B[“Register-Transfer Level(RTL)”];
B — Logic Synthesis –> C[“Logic Level”];
C — Implementation –> D[“Circuit Level”];
D — Bitstream –> E[“Physical Level”];
  • 高层次综合(high-level synthesis, HLS):将高级程序语言C/C++编译为Verilog等硬件描述语言(HDL)
  • 逻辑综合(logic synthesis):将HDL较为高层的逻辑结构转化为逻辑门/网表(netlist),指明连接关系
  • 实施(implementation):Electronic Design Interchange Format(EDIF)
    • 转译(translate):将所有网表及限制整合入一个大的平的(flat)网表,没有层次结构(hierarchy)
    • 技术映射(technology mapping):将网表电路分组分配到每一个子块(sub-block)中
      生成由查找表(Look-Up Table, LUT)构成的等价网表(RTL netlist),即将几个门整合为一个LUT
    • 打包(clustering/packing):将几个子块整合到一起变成逻辑块聚(logic blocks clusters)
    • 布局(placement):将这些子块放入FPGA的逻辑块(configurable logic block, CLB)中
    • 布线(routing):在逻辑块之间连线,使得时序限制能够被满足

      类比CPU一维的链接(link)寻址,FPGA的布局布线是二维的,主要优化area和delay

  • 位流生成(bitstream)
  • 验证(verification)/模拟(simulation)
    • 行为(behavioural)仿真:在综合之前,检测逻辑错误
    • 函数/网表(functional)仿真:在综合之后
    • 时序(timing)仿真:在布局布线之后,最精确的仿真

FPGA的应用

  • 搜索引擎(微软Bing、百度)
  • 云计算(亚马逊)
  • 深度学习(深鉴科技)
  • 生物信息
  • 图加速器

FPGA的现状与未来

FPGA为什么尚未像GPU一样大范围推广?

  • HDL难学 -> 高层抽象,新的语言/高层次综合
  • 编译时间长,效率低下 -> 改进编译的算法
  • 难以调试 -> 需要高效且正确的模拟器

FPGA发展到现在要解决的问题依然是效率(productivity)的问题,即如何让硬件工程师更快更好地编写调试硬件,甚至让软件工程师也能参与到硬件设计中,实现软硬件协同设计(hardware software co-design)。

关于FPGA的未来,在FCCM上有一个专门的预测栏目,最近的有在2016年预测2021年的。

学习资料

  1. Lastweek, Cook FPGA, https://github.com/lastweek/fpga_readings
  2. [日]天野英晴,《FPGA原理和结构》,人民邮电出版社,2019年4月1日
  3. Scott Hauck and Andre DeHon, Reconfigurable Computing: The Theory and Practice of FPGA-Based Computation, Elsevier Inc., 2008

参考资料

  1. 如何评价微软在数据中心使用 FPGA 代替传统 CPU 的做法? – 李博杰的回答 – 知乎 https://www.zhihu.com/question/24174597/answer/138717507
  2. https://www.design-reuse.com/articles/7330/fpga-programming-step-by-step.html
  3. https://indico.desy.de/indico/event/7001/session/0/contribution/1/material/slides/0.pdf
  4. Scott Hauck and André Dehon, Reconfigurable Computing – The Theory and Practice of FPGA-Based Computation, Elsevier, 2008, Online
  5. https://www.edgefx.in/fpga-architecture-applications/
  6. Farooq, U. et al., Tree-based Heterogeneous FPGA Architectures Application Specific Exploration and Optimization, Springer, 2012, Online
  7. LegUp Computing Inc., LegUp User Manual (v5.1) – User Guide, 2017

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