揭开Altera公司支持OpenCL的设计工具的神秘面纱

　　将程序中处理负荷较大的工作分配给加速器LSI的"异构计算（Heterogeneous Computing）"将踏出崭新的一步。美国Altera公司将于2013年内开始面向普通用户提供可自动由按照异构计算标准规格"Open-CL"编写的程序生成FPGA专用电路的工具"Altera SDK forOpenCL"。

　　将微处理器（CPU）、图形处理器（GPU）及信号处理器（DSP）等结合在一起，并将这些处理器当做加速器使用的环境一直在不断完善。具体而言，半导体厂商主导成立的业界团体Khronos Group制定了OpenCL标准，GPU厂商美国英伟达提供了软件开发及运行环境"CUDA"。美国英特尔也于2012年11月发布了配备众核型处理器的加速器板卡"Xeon Phi"（开发代码名：KnightsCorner）的首款产品。按照用途使用不同架构处理器的异构计算正在稳步普及。SDK for OpenCL支持的FPGA板卡如下图，Nallatech公司的产品（上）和BitWare公司的产品（下）

　　由程序生成电路

　　Altera的SDK for OpenCL与传统工具的不同之处是，用户开发的程序并不是在固定架构处理器上运行的，而是由这些程序生成FPGA上的逻辑电路。在处理能力及功耗等方面，有望获得与制作专用硬件时接近的性能。

　　具体而言，可将按照OpenCL标准开发的程序中的加速器用程序（在OpenCL中称为"内核"程序）转换成FPGA上的逻辑电路，并将其作为FPGA的配置数据输出（图1）。运行时，主机端的程序会通过OpenCL用运行库，要求已被写入这些配置数据的FPGA进行内核处理。

　　该工具的最大优点是，程序员可在不具备硬件设计知识的情况下生成FPGA的配置数据。使用以前提供的开发工具，也能将以C语言编写的程序转换成FPGA上的逻辑电路。但是，要让逻辑电路完成数据处理工作，需要由CPU通过某些通信接口收发数据，而且为FPGA连接外部存储器的话，还必须设置存储器控制器等。因此，程序员需要具备可设计具备各种外围电路的系统LSI的知识。

　　图1 可自动由C语言程序生成FPGA内的电路

　　使用Altera"SDK for OpenCL"的设计流程。可将根据OpenCL的规定编写的外部设备用内核程序转换成FPGA上的逻辑电路。

　　追加固定的外围电路

　　Altera采用的方法是未降低FPGA本身所具备的灵活性，而是提高了方便性。SDK for OpenCL可在由内核程序转换而来的逻辑电路上，自动追加用来与主机处理器通信的PCI Express接口、外部存储器控制器、内部互联等固定电路（图2）。由此，能够以最终形成系统LSI的形式输出配置数据。

　　图2　自动追加接口电路

　　只将内核程序转换成新的逻辑电路。关于用来和主机交换数据的接口电路、存储器互联电路等，均会自动追加固定电路。

　　但是这样做就无法修改电路，比如使用其他接口电路，或者采用不同的互联电路等。目前支持的FPGA板卡也十分有限。可以说这套系统优先考虑的是为软件开发者创造出可以使用FPGA的条件。

　　如果软件开发者预先按照OpenCL规格编好程序，就能轻松比较出"使用GPU还是FPGA作为加速器才能获得高性能"等。OpenCL消除异构计算中程序与硬件架构的依赖关系的目标正在不断实现。

　　Altera公司已向参加优先体验计划的数十家企业提供了SDK for OpenCL。目前支持的是主机处理器使用x86架构CPU、以PCI Express接口与Altera公司的FPGA通信的系统。

　　2013年面向普通用户提供时，Altera公司还计划使其支持集成有CPU内核"Cortex-A9"和外部接口等外围电路的"SoC FPGA"。SoC FPGA可利用Cortex-A9作为主机处理器，在FPGA区域构建加速器电路。其优点是，能够利用比PCI Express带宽大、延迟小的接口进行主机处理器和加速器电路之间的通信。