FPGA是一個很特殊的芯片,，可能在2個月前,，我還對它一無所知,。我們熟知的芯片都是CPU,，GPU,，或者知道ASIC的概念。但實際上,，F(xiàn)PGA已經(jīng)走過了30個年頭,，它目前已經(jīng)成為一個包含各種先進電路，邏輯單元,，接口,，芯片封裝，制造等技術的“集大成者”,。在硬件不斷發(fā)展的同時,，F(xiàn)PGA的開發(fā)軟件和設計工具也在不斷迭代和更新?；谟布枋稣Z言HDL,，抽象出HLS（High-Level Synthesis）（翻譯為高層次綜合？怎么聽起來都沉得別扭）技術,，通過高層設計去隱藏很多底層邏輯和細節(jié),，讓FPGA的開發(fā)更加簡單。即使這樣,，F(xiàn)PGA開發(fā)還是同CPU,，GPU不一樣，它需要設計者在一定程度上了解FPGA的內(nèi)部架構,，這樣才能引導高層語言綜合工具睡時到優(yōu)化的系統(tǒng)性能,。
一：開發(fā)FPGA的痛點
首先，F(xiàn)PGA的體量非常大,，大得驚人,，英特爾最新的StraTIx10 GX 10M 有 433億只晶體管，1020萬個可編程邏輯單元,，以及2304個可編程的I/O接口,。這些數(shù)量龐大的晶體管組成了大量的可編程邏輯單元和查找表結(jié)構，大量運算單元,，各種類型和大小的內(nèi)存資源,，高速串行I/O，多個嵌入式處理器,，還有成百上午種不同功能的軟核和硬核IP,。因為可編程，可以通過定制實現(xiàn)極高吞吐量和極低的功耗,。
當這么多硬件資源都集成到了一個芯片上,，用戶如何對這些硬件進行編程呢,？
通常來說，我們要解決一個復雜問題,，常用的辦法就是分解任務,，我們需要劃分清楚哪些是在硬件上完成，哪些通過軟件完成,。在FPGA,，這種分解非常困難和復雜。例如：哪部分用編程邏輯（硬件）,，哪部分使用片上的芯片,。如何合理分配片上內(nèi)存，內(nèi)不足時,，如何優(yōu)化……
如何降低FPGA的開發(fā)難度,，EDA軟件一定要好用，所以,，不管英特爾還是賽靈思,，包括我了解的一個新創(chuàng)團隊，都會在EDA軟件團隊上做大力投入,，甚至做EDA軟件開發(fā)的人員要多于FPGA本身的工程師數(shù)量,。另外，業(yè)界也出現(xiàn)了大量的第三方公司,，負責FPGA設計咨詢公司,，IP提供商，外包公司等……,，業(yè)務已經(jīng)發(fā)展產(chǎn)生了很多特定的分工,。
當前，F(xiàn)PGA還在進入更多的市場,，比如：嵌入式應用,，5G和汽車市場，這些領域中的大多數(shù)開發(fā)團隊都沒有FPGA相關的設計專業(yè)知識和經(jīng)驗,。而且，他們更多是純軟件開發(fā),，更多依賴于人工智能技術,。這些也使得FPGA的開發(fā)難度被放大。
二：HLS——讓軟件工程師開發(fā)FPGA
HLS指的是通過EDA工具,，將描述的邏輯結(jié)構轉(zhuǎn)換成低抽象級語言描述的電路模型的過程,。
這里，我不得不再強調(diào)一下HLS的概念,，因為記不住,，搞不太懂,。
High-Level Synthesis 簡稱：HLS 指的是將高層次語言描述的邏輯結(jié)構，自動轉(zhuǎn)換成低抽象級語言描述的電路模型的過程,。有點象我們軟件領域講的 Java 語法在運行時,，根據(jù)不同的機器翻譯成不同的機器字節(jié)碼。所謂高層次語言,，通常指的是 C,，C++，SystemC等,，通常有點較高的抽象度,，并且往往不具有時鐘或時序的概念，相比之下,，諸如Verilog,，VHDL，SystemVerilog等低層次語言,，通常用來描述時鐘周期精準的寄存器傳輸級電路模型,，這也就是當前ASIC或者FPGA設計最為普遍使用的電路建模和描述方法。
為什么要使用HLS,？
1: 這是一個趨勢,。因為集成電路的復雜度太高，已經(jīng)逐漸超過人類可以手工管理的范疇,。使用RTL代碼,，代碼行過多，不現(xiàn)實,。而使用C,，C++ 等高層語言，可以將代碼縮至10%,。
根據(jù)NEC2004年發(fā)布的研究,，一個擁有100萬邏輯門的芯片設計通常要編寫30萬行RTL代碼。
2: 高層語言更善于復用,，特別是對于IP的重用,。
因為傳統(tǒng)的RTL的IP 往往需要定義固定的架構和接口標準，在IP重用時,，需要大量的時間運行系統(tǒng)互聯(lián)和接口驗證,。高層語言屏蔽了這些要求，轉(zhuǎn)而由HLS工具具體來負責完成?，F(xiàn)代FPGA有大量的IP單元,，這些IP有固定功能，一定需要大量復用,。
3: HLS能幫到軟件和算法工程師參與主導芯片設計,，這是因為HLS能夠屏蔽實現(xiàn)細節(jié),。對于硬件工程師，HLS也能幫助他們快速設計迭代,，專注于性能,，面積或功耗模塊，不用關注上層的算法實現(xiàn),。
我們在談HLS前,，先看看RTL的發(fā)展：
通過描述寄存器到寄存器之間的邏輯功能描述電路的HDL層次。RTL級是比門級更高的抽象層次,，使用RTL級語言描述硬件電路一般比門級描述簡單高效得多,。這個時期，工程師們都在關注RTL,。
HLS經(jīng)過發(fā)展,，產(chǎn)生了以C++ 為主的目標語言，從而被很多不少不了解RTL的工程師所接受,。而且,，HLS在性能上也近似RTL的水平。
到現(xiàn)在,，英特爾,，賽靈思，包括多倫多大學都推出了各自的HLS工具,。
其中比較成功的工具是AutoPilot,，
前端，它使用了LLVM的編譯器架構,，能夠使用C,，C++，OSCI SystemC等語言,，使用llvm-gcc編譯器將高層語言模型轉(zhuǎn)換為IR,，優(yōu)化后，再根據(jù)具體的硬件平臺,，生成RTL代碼,。
AutoPilot在某些領域完勝人工優(yōu)化RTL的結(jié)果。說明了HLS的潛力,。
HLS的主流優(yōu)化方法有以下幾種：
1: 字長分析和優(yōu)化,。
FPGA的一個最主要特點可以使用任意字長，所以 HLS工具也不需要拘泥于某種固定的長度,。好處呢,，對性能提升和面積縮減有幫助,。
2: 循環(huán)優(yōu)化
可以使用多面體模型來達成循環(huán)優(yōu)化,，可以幫助實現(xiàn)性能和面積優(yōu)化,，同時也能幫助提升內(nèi)存的使用效率。
3: 對并行的支持,。
RTL是可以直接實例化成多個運算單元并行執(zhí)行的,，C/C++ 一開始是順序執(zhí)行，但后面也引入的并行支持,。如：pthreads和OpenMP等多線程并行編程方法,，以及OpenCL等針對GPU異桅系統(tǒng)進行并行編程的擴展。
作為HLS工具,，一定要支持并行,。比如：lgeup就整合了對pthead,OpenMP的支持。英特爾推出了OpenCL SDK,，將其引和HLS,，并生成FPGA硬件電路邏輯和CPU代碼兩部分，從而實現(xiàn)FPGA作為硬件加速模塊的快速開發(fā),。
盡管如此,，HLS要完全替代人工的RTL建模，還有很長的路要走,。對于FPGA而言,，內(nèi)存瓶頸是制約性能的關鍵要素，所以,，如何有效利用片上和片外的各類存儲單元,，是HLS的研究熱點。
P4 語言是實現(xiàn)SDN 的重要手段,，所以,，新型的FPGA開發(fā)工具，需要對P4進行編譯和支持,。
三：商業(yè)級的開發(fā)工具
3.1 賽靈思ViTIs 開源開發(fā)工具
ViTIs花費了 1000人,。年的開發(fā)工作量。
ViTIs的核心架構示意圖如下：
3.2 英特爾oneAPI
OneAPI 可以針對英特爾的所有芯片進行編程,。
英特爾將旗下的芯片分成了SVMS四類：
標量架構（Scalar）：CPU
矢量架構（Vector）：GPU
短陣架構（Matrix）：AI芯片
空間架構（Special）： FPGA.
四：業(yè)界看法
業(yè)界普遍認為,，GPU之所以在人工智能獲得成功，很大程度上取決于對軟件和算法工程師的友好,。而FPGA雖然在不斷擴展應用范圍,，在性能和功耗上也不比GPU差，但是,，它的編程仍然是以RTL開發(fā)為主,，這對開發(fā)者并不算友好。
所以,，F(xiàn)PGA在HLS上的發(fā)展和突破,，可能是FPGA能否有更廣泛應用的最后一塊拼圖,。
更多信息可以來這里獲取==>>電子技術應用-AET<<
