【自適應(yīng)計(jì)算在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用】連載三：為什么FPGA能在機(jī)器人中起到重要作用

　　作者： Víctor Mayoral-Vilches 和 Giulio Corradi，賽靈思公司

　　連載三：為什么 FPGA 能在機(jī)器人中起到重要作用

　　CPU 和 GPU 擅長(zhǎng)控制流計(jì)算。它們的控制驅(qū)動(dòng)機(jī)器模型基于控制令牌，控制令牌提示應(yīng)執(zhí)行語(yǔ)句的時(shí)間。這賦予 CPU 和 GPU 完全的控制力，能輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)和控制結(jié)構(gòu)。然而，這樣做的代價(jià)是效率較低且難以毫無(wú)差錯(cuò)地準(zhǔn)確編程。相反，F(xiàn)PGA 擅長(zhǎng)數(shù)據(jù)流運(yùn)算。它們遵循數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)器的模式，一旦所有操作數(shù)可用就執(zhí)行語(yǔ)句。這樣的結(jié)果就是 FPGA 能釋放巨大的并行性和吞吐量潛力，同時(shí)避免出錯(cuò)或產(chǎn)生副作用。

　　總體而言，作為 CPU 和 GPU 通用平臺(tái)的替代技術(shù)，F(xiàn)PGA 能夠自適應(yīng)生成定制計(jì)算架構(gòu)，滿足機(jī)器人的需求。因?yàn)閾碛星八从械撵`活性，并能縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)降低開發(fā)成本，F(xiàn)PGA 已經(jīng)z在各類知名工業(yè)機(jī)器人制造商和醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)用中大量采用。在 “A survey of FPGA- based robotic computing”中，讀者可以看到一份有關(guān)基于 FPGA 的機(jī)器人計(jì)算的調(diào)研，該調(diào)研展示了 FPGA 在機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛適用性。下面是對(duì) FPGA 特征的詳細(xì)描述：

　　? 自適應(yīng)：當(dāng)同時(shí)需要控制流和數(shù)據(jù)流時(shí)，CPU 和 GPU因?yàn)闀r(shí)延和響應(yīng)時(shí)間問(wèn)題無(wú)法使用，而 FPGA 則能生成無(wú)與倫比的定制計(jì)算架構(gòu)，滿足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)要求和多重關(guān)鍵性要求。CPU 和 GPU 所采用的固定計(jì)算架構(gòu)，限制了它們的整體能力，包括響應(yīng)時(shí)間和時(shí)延。

　　? 高性能：FPGA 通過(guò)建立深度流水線化的數(shù)據(jù)路徑（流計(jì)算）來(lái)提升計(jì)算性能，而不是像 CPU 和 GPU 那樣依靠計(jì)算單元數(shù)量的增加。流計(jì)算的工作原理是一個(gè)計(jì)算單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)立即被流水線中的下一個(gè)計(jì)算單元處理，這樣就免去了數(shù)據(jù)流通道中“提取-計(jì)算-存儲(chǔ) （fetch-compute-store）”的環(huán)節(jié)，便于數(shù)據(jù)產(chǎn)生者和消費(fèi)者的運(yùn)算操作，從而提升了性能。相反，由于存在架構(gòu)固定、核數(shù)量固定、指令集固定、存儲(chǔ)器架構(gòu)僵化等多重限制，CPU 和 GPU 只能以犧牲性能的方式進(jìn)行計(jì)算。

　　? 高能效：速度和功耗是數(shù)字電路的基本品質(zhì)因數(shù) （FOM，figures of merit）。功率是表示數(shù)字電路頻率和觸發(fā)率的函數(shù)。 FPGA 通過(guò)并行和直接執(zhí)行算法調(diào)節(jié)頻率。FPGA 保持較低頻率和較低切換率（無(wú)指令獲取）進(jìn)行計(jì)算，但與 CPU 和 GPU 的等效計(jì)算性能相比，F(xiàn)PGA 在更高的頻率下具有更大的并行性優(yōu)勢(shì)，從而客戶以實(shí)現(xiàn)更好的功率指數(shù)和更高的能效。

　　? 不浪費(fèi)算力：FPGA 借助靈活性實(shí)現(xiàn)芯片利用率最大化以提升性能。動(dòng)態(tài)功能交換（DFX，過(guò)去被稱為“部分重配置”）允許在 CPU 上運(yùn)行的線程化應(yīng)用分時(shí)共享 FPGA。由此當(dāng)給定線程正在處理 FPGA 生成的結(jié)果時(shí)，另一線程能使用 FPGA 進(jìn)行不同的計(jì)算。

　　? 可預(yù)測(cè)：FPGA 幫助 CPU 和 GPU 卸載嚴(yán)格意義的實(shí)時(shí)計(jì)算，在執(zhí)行時(shí)間上提供納秒級(jí)預(yù)測(cè)能力，而且不會(huì)受到與 GPU 和 CPU 計(jì)算有關(guān)的軟件變更或抖動(dòng)的影響。

　　? 可重配置：機(jī)器人算法仍處于高速演進(jìn)發(fā)展中，F(xiàn)PGA 能夠按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)重配置和更新。此外，還可以輕松地對(duì) FPGA 進(jìn)行重新編程以滿足異構(gòu)需求，實(shí)現(xiàn) CPU 和 GPU 才能提供的通用能力。

　　? 安全：FPGA 能夠按需靈活地構(gòu)建安全電路，保障機(jī)器人數(shù)據(jù)流的安全。此外，F(xiàn)PGA 能充分利用重配置功能修正其硬件架構(gòu)的缺陷（避免硬件風(fēng)險(xiǎn)）。這樣設(shè)計(jì)人員就能迅速解決在固定計(jì)算架構(gòu)上難以解決或者無(wú)法解決的安全風(fēng)險(xiǎn)（避免未來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，例如“熔毀”和“幽靈”）。

　　然而也有觀點(diǎn)認(rèn)為，盡管 FPGA 是機(jī)器人專家心目中理想的計(jì)算基干，但是它們提供的靈活性是以增加復(fù)雜性和所需的設(shè)計(jì)技能為代價(jià)的?！癆 survey of FPGA- based robotic computing”列出了部分所需的額外技能。只有能夠全面綜合地運(yùn)用含多核 CPU、GPU 和 FPGA 在內(nèi)的所有這些技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)異的機(jī)器人性能。實(shí)際不然，賽靈思所提供這種集成式片上系統(tǒng) （SoC） 解決方案，是將 CPU 通用軟件的可編程能力與 FPGA 自適應(yīng)硬件功能完美結(jié)合在了同一器件之中。

　　這些自適應(yīng) SoC 為機(jī)器人應(yīng)用提供了軟硬件兼有的高靈活性計(jì)算基礎(chǔ)，并可提供高性能、低功耗、確定性、硬件可重配置、安全，以及自適應(yīng)特性等價(jià)值。

　　要點(diǎn)總結(jié)：CPU 和 GPU 擅長(zhǎng)控制流計(jì)算，而 FPGA 擅長(zhǎng)數(shù)據(jù)流計(jì)算。自適應(yīng) SoC 解決方案為機(jī)器人應(yīng)用提供了軟硬件兼具的高靈活性計(jì)算基干，可提供低功耗、高性能、確定性、硬件可重配置、安全，以及自適應(yīng)等特性。