高性能汽车和FPGA？——共同点比您想象得多

作者：Altera公司 首席DSP产品规划经理Michael Parker

上世纪60年代以及70年代早期被认为是“肌肉车”时代。这是从中端汽车设计采用大型发动机开始的。最著名的例子包括Chevelles、Fairlanes、GTO、442、Chargers和Roadrunners。同一时期，福特Mustang开始发展“小马汽车”，很快就引来了竞争，例如Camaro、Firebird、Barracuda、AMX和Challenger等。那时发动机大小是由立方英寸表示的，明显的能看到车上的发动机。“396”、“429”、“440”或者“455”等数字代表了性能的高低。



这些发动机中最传奇的当属426 Hemi。该发动机自从1964年推出以来，先后发展了第一、第二、第三和第四代，NASCAR限制它后，名声大噪。从1966年直到1971年，要符合NASCAR的批准条款，或者产品质量制造要求，这促使著名的“Street Hemi”面市，部分道奇和普利茅斯采用了它。

Hemi发动机排量为7升，采用高转速气缸，上面是两个篮球大小的4缸化油器，具有非常保守的425 hp额定功率。很少有汽车能够比得上采用了Hemi的Cudas和Challengers；可能只有427 Corvette能够与其相匹敌。

肌肉车时代一直持续到今天，可选择的车型越来越有限了。其价格是可以接受的，大部分消费者都买得起Camaro、Mustang、Corvette、Challenger或者Charger，这些车有V8发动机，达到400+ hp，600-700 hp的发动机还有其他选择。

今天的FPGA生产商正在进行类似的竞争，这对于FPGA客户非常有好处。在过去几年中，逻辑密度、存储器容量、DSP模块、收发器速率和数量等，几乎所有的性能指标都在不断增长。当然，读者对此并不陌生。

一项对比是怎样实现这些性能，也就是理论和实际相联系。回到最初的肌肉车时代，既有手挡也有自动挡。忠实的发烧友选择了手挡。在一名好司机手里，4速手挡明显要好于低效的3速自动挡。手挡也更省油，但那时候不太关心这些。

然而，对于现代的肌肉车，情况正好相反。自动挡使用电子控制而不是油压控制，换挡的速度在100-200ms量级，比人快得多，转速匹配也是如此。电子控制功能帮助司机防止车轮打滑。含有换挡拨片是用于选择自己的档位，尽管这很难提高性能。自动挡现在也很省油，这在今天很重要。档位的相对数量现在反过来了。例如，现在的道奇挑战者有8速自动挡和6速手动挡。当然，很多纯粹主义者不论是出于传统还是手动换挡的直接感觉，还是喜欢手挡。但这再也不与提高性能有关了。

对于FPGA，也有同样的发展趋势，但不是那么众所周知。传统上，FPGA是在Verilog或者VHDL中手动进行编程的，使用定点(整数)数字表示，编程人员决定底层实现，例如，什么时候插入流水线寄存器等。即使是综合和适配器工具全部自动完成设计，最终设计的质量也基本取决于FPGA编程人员的技术水平。

新的FPGA体系结构开始改变这些。例如，现在的Altera Arria 10 FPGA在数千个DSP模块中内置了单精度浮点引擎。使用浮点，FPGA编程人员在每次数字运算后，不必再确定位宽、截断与饱和级，极大的简化了编程任务。浮点数字表示和实现自动完成这些工作。整数现在保留用于常见的功能，例如，循环计数、状态机和存储器索引等。这在算法仿真和实现之间建立了直接通路，保持了系统和FPGA工程师之间的一致性。



使用传统的Verilog和VHDL设计流程支持这些特性的实现，仍然会继续主导FPGA设计流程。但是，还有其他设计流程。OpenCL是GP-GPU编程人员的语言，现在针对FPGA进行了优化，提供真正的“按键式”编译体验。



采用基于模型的设计，设计人员可以继续留在Mathworks环境中，也能够获得最佳结果，很多复杂的大吞吐量参考设计证明了这一点。

与手挡相似，FPGA设计人员仍然可以选择像以前一样进行设计和优化，传统的设计也会跟以前一样工作。但是，FPGA设计人员会发现，新的自动的方法能够实现相同甚至更优的结果。而且，随着逻辑密度的快速增长，很多工程师会发现他们没有足够的时间像以前一样手动优化大规模FPGA设计。就像高性能肌肉车一样，在FPGA世界中，应该开始发挥自动化的优势了。