基于可重構(gòu)計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)的芯片

可重構(gòu)計(jì)算芯片（Reconfigurable Computing Chip）是基于可重構(gòu)計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)的芯片?？芍貥?gòu)計(jì)算是一種時(shí)空二維編程的并行計(jì)算模式。與之相對(duì)，傳統(tǒng)的通用處理器是時(shí)域編程的計(jì)算模式，FPGA是空域編程的計(jì)算模式?？芍貥?gòu)計(jì)算芯片是集成電路領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)，具有廣泛適用性。

所謂可重構(gòu)計(jì)算是指在配置信息的控制下，利用系統(tǒng)中的可編程計(jì)算資源，根據(jù)應(yīng)用的需要構(gòu)造出最適配的計(jì)算架構(gòu)，達(dá)到或接近專用集成電路的高性能?？芍貥?gòu)計(jì)算的本質(zhì)是通過(guò)多次重新配置可編程計(jì)算資源的功能和互連，使系統(tǒng)兼具高性能、低功耗、易維護(hù)、低成本等多種優(yōu)良特性。

可重構(gòu)計(jì)算芯片硬件架構(gòu)由可重構(gòu)數(shù)據(jù)通路（Reconfigurable Datapath,RCD）和可重構(gòu)控制器（Reconfigurable Controller,RCC）兩部分組成，如圖5-101所示。其中可重構(gòu)數(shù)據(jù)通路負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的并行處理，可重構(gòu)控制器負(fù)責(zé)配置信息管理和任務(wù)映射調(diào)度。在可重構(gòu)數(shù)據(jù)通路負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的并行處理，可重構(gòu)控制器負(fù)責(zé)配置信息管理和任務(wù)映射調(diào)度。在可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通路可通過(guò)調(diào)用或修改配置信息被動(dòng)態(tài)重配，這樣既保留了用定制電路（硬件方法）實(shí)現(xiàn)計(jì)算的性能，又具有用處理器方法（軟件方法）實(shí)現(xiàn)計(jì)算的靈活性。

可重構(gòu)計(jì)算芯片的配置策略可分為靜態(tài)重構(gòu)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)。靜態(tài)重構(gòu)只能在可重構(gòu)計(jì)算芯片的數(shù)據(jù)通路進(jìn)行計(jì)算之前對(duì)其進(jìn)行功能重構(gòu)。靜態(tài)重構(gòu)只能在可重構(gòu)計(jì)算芯片的數(shù)據(jù)通路進(jìn)行計(jì)算之前對(duì)其進(jìn)行對(duì)過(guò)大而無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)通路進(jìn)行功能重構(gòu)。最典型的具有靜態(tài)重構(gòu)特征的可重構(gòu)計(jì)算芯片是FPGA。FPGA的常見(jiàn)工作方式是系統(tǒng)上電時(shí)從片外存儲(chǔ)器中加載配置信息進(jìn)行功能重構(gòu)。FPGA配置信息的規(guī)模一般很大，重構(gòu)過(guò)程通常會(huì)持續(xù)幾十至幾百毫秒甚至多大幾秒的時(shí)間。等功能重構(gòu)完成之后，F(xiàn)PGA才能進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

在計(jì)算過(guò)程中，F(xiàn)PGA的功能無(wú)法再被重構(gòu)。如需重構(gòu)，一定要首先中斷FPGA當(dāng)前正在進(jìn)行的計(jì)算任務(wù)。因?yàn)槭菃伪忍鼐幊唐骷?xì)粒度可重構(gòu)計(jì)算芯片），所以FPGA的靈活性非常高，在不考慮容量的前提下幾乎可以實(shí)現(xiàn)任何形式的數(shù)字邏輯。這也是FPGA能夠在商業(yè)上獲得極大成功的重要原因之一。然而，細(xì)粒度給FPGA帶來(lái)了海量的配置信息，重構(gòu)的時(shí)間代價(jià)和功耗代價(jià)就變得非常大。而典型的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)芯片的重構(gòu)時(shí)間一般在幾納秒到幾十納秒的范圍。

由于功能重構(gòu)的時(shí)間代價(jià)相對(duì)較小，可重構(gòu)計(jì)算芯片的數(shù)據(jù)通路在計(jì)算過(guò)程中也能夠進(jìn)行功能重構(gòu)的特性被稱為動(dòng)態(tài)重構(gòu)。最典型的具有動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性的可重構(gòu)計(jì)算芯片是粗粒度可重構(gòu)陣列（Coarse-Grained Reconfigurable Architecture, CGRA）。CGRA的常見(jiàn)工作方式是：在CGRA完成某個(gè)既定的計(jì)算任務(wù)之后，迅速對(duì)其加載新的配置比特流進(jìn)行功能重構(gòu)。重構(gòu)過(guò)程通常僅會(huì)持續(xù)幾個(gè)到幾百個(gè)時(shí)鐘周期。等功能重構(gòu)完成之后，CGRA再繼續(xù)執(zhí)行該新配置的計(jì)算任務(wù)。

可重構(gòu)計(jì)算芯片區(qū)別于其他電路實(shí)現(xiàn)形式的一大特點(diǎn)就是需要對(duì)數(shù)據(jù)通路進(jìn)行配置，配置完成后它就像ASIC電路一樣以較高的性能實(shí)現(xiàn)指定的功能。如圖5-102所示，可重構(gòu)數(shù)據(jù)通路通過(guò)配置加載器從外部加載配置，這部分構(gòu)成了可重構(gòu)數(shù)據(jù)通路的配置部分?？s短可重構(gòu)數(shù)據(jù)通路通過(guò)配置加載器從外部加載配置，這部分構(gòu)成了可重構(gòu)數(shù)據(jù)通路的配置部分。縮短可重構(gòu)數(shù)據(jù)通路的配置時(shí)間是十分重要的，這樣可以很快地完成不同配置之間的切換，提高電路的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

常用的縮短配置時(shí)間的方式有兩種：一是提高數(shù)據(jù)通路的粒度以減少配置信息的總量，配置時(shí)間相應(yīng)減少；二是通過(guò)層次化的配置結(jié)構(gòu)減少?gòu)臄?shù)據(jù)通路外部輸入的配置信息數(shù)量，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)配置信息存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)器中，而且每一層配置信息中都含有要使用的下一層配置信息的列表，這樣逐層地調(diào)出配置信息，而不用一次性從外部將大量配置信息全部輸入，從而提高了配置速度。此外，由于較高層次的配置信息只含有底層配置信息的列表，底層的配置信息會(huì)被不同的列表多次重復(fù)使用，從而達(dá)到了減少配置信息總量的目的。

可重構(gòu)數(shù)據(jù)通路在配置時(shí)，層次化的配置結(jié)構(gòu)被一層一層打開(kāi)，最終每個(gè)數(shù)據(jù)通路單元將得到自己的配置信息并完成配置。數(shù)據(jù)通路控制模塊通過(guò)解析配置信息控制每個(gè)計(jì)算單元的運(yùn)算、數(shù)據(jù)的輸入/輸出、配置信息的加載時(shí)間等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)可重構(gòu)數(shù)據(jù)通路的調(diào)度。

近年來(lái)，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)已成為集成電路研究的新熱點(diǎn)?？芍貥?gòu)計(jì)算芯片具備硬件隨軟件變化而變化、軟硬件雙編程的特點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)的基于硬件進(jìn)行軟件編程的計(jì)算模式，實(shí)現(xiàn)了“電路跟隨算法變，架構(gòu)跟隨應(yīng)用變“的高能效動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)。

審核編輯 ：李倩