通過RISC-V發(fā)揮FPGA的架構(gòu)靈活性并簡化設(shè)計流程

微處理器傳統(tǒng)上一直主導(dǎo)著計算領(lǐng)域，在需求更多算力的推動下，硅基器件在密度方面不斷得到提升。按照摩爾定律，每隔兩年，晶體管密度就會翻番，這無疑是技術(shù)創(chuàng)新的金礦。在這場“淘金熱”中，考慮到定制硅涉及的專業(yè)知識和費用，幾家大型半導(dǎo)體公司已在市場上斬獲了穩(wěn)固地位?，F(xiàn)在，隨著對計算密集型器件需求的不斷增長，ASIC、FPGA?和嵌入式處理器等都被要求執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。而進入的壁壘一直高得令人望而興嘆。

在整個產(chǎn)業(yè)鏈的終端應(yīng)用方面，系統(tǒng)的實施在很大程度上取決于利潤。?IC?的開發(fā)成本、專利許可費和設(shè)計的便捷性都直接影響了創(chuàng)建現(xiàn)代電子產(chǎn)品的價格。設(shè)計師和開發(fā)者一般都依賴硬件加速電路與傳統(tǒng)的嵌入式處理器來完成?和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品?（ASSP）中的核心功能，同時通用處理器眾所周知的設(shè)計流程也提供了諸多便捷與可靠性。其根本目標(biāo)是：以最低成本實現(xiàn)快速上市，同時滿足現(xiàn)代應(yīng)用日益增長的復(fù)雜計算需求。那么問題就變成了：哪種（些）芯片組合能夠以最少的開發(fā)時間和成本，而最有效地實現(xiàn)這些應(yīng)用？

這正是?易靈思?FPGA?一顯身手的地方。?易靈思?FPGA?借助簡單的軟件方法進行軟硬件分工，將?FPGA?的固有架構(gòu)優(yōu)勢與流行的嵌入式處理器的便捷編程特性相結(jié)合。本文將介紹這種充分發(fā)揮?FPGA?潛力的新設(shè)計方法，如何使設(shè)計師能最大限度地提高系統(tǒng)設(shè)計能力和效率。

易靈思?架構(gòu)的基本優(yōu)勢

易靈思?鈦金?FPGA?在低端和高端?FPGA?之間取得平衡，是款兼具高密度、小封裝、低功耗和低價格等優(yōu)勢的器件。通過?16nm工藝技術(shù)，鈦金?FPGA可以在小至?5.5?×?5.5?mm的封裝中集成了多達?100?萬個邏輯單元?（LE）、以及大量存儲模塊和高速?DSP?模塊。

這是由于?易靈思?的?Quantum?計算內(nèi)核具有可重新配置的模塊，即邏輯和路由可互換的XLR單元。這消除了傳統(tǒng)布線，讓?LE?更小、使用更靈活，與傳統(tǒng)?FPGA?相比，利用率非常高。?當(dāng)需要時，軟RISC-V?核可在FPGA內(nèi)核中被例化。在編譯時，易靈思?的軟件會動態(tài)選擇是將XLR?單元用作路由還是邏輯功能，以優(yōu)化其芯片資源。并且，?易靈思?FPGA?實現(xiàn)?的RISC-V?CPU?架構(gòu)，不受?ARM?等專有?IP?內(nèi)核的約束，規(guī)避了任何專利許可費用。

RISC-V?的興起

RISC-V?是一種免費的指令集架構(gòu)（ISA），它附帶多種軟件參考設(shè)計、IP?軟核和實體器件。?RISC-V?和?ARM?之間的主要區(qū)別在于：?RISC-V?是一個開放標(biāo)準(zhǔn)，其中?ISA?沒有定義任何特定的微處理器架構(gòu)；其它流行的處理器技術(shù)（如：x86、x64?和?ARM）都是基于使用供應(yīng)商提供的?ISA?和硬件架構(gòu)而付費的商業(yè)模式。

模塊化、開源?RISC-V?架構(gòu)的日益普及，使開發(fā)者可以免版稅使用這些內(nèi)核并創(chuàng)建非指定供應(yīng)商的計算方案。隨著摩爾定律繼續(xù)放緩，這為創(chuàng)新打開了大門。?RISC-V?處理核可以集成到?FPGA?中，以將便捷編程特性，與?FPGA?和?ASIC?架構(gòu)的并行處理能力和靈活性/可重配置性相結(jié)合。

采用?易靈思?FPGA?的新設(shè)計方法

易靈思?FPGA?的優(yōu)點并不僅限于其優(yōu)化的成本和性能?！傲孔蛹铀佟备拍钸€帶來了與傳統(tǒng)嵌入式處理器相同的編程便捷性。量子加速依賴于兩種關(guān)鍵技術(shù)來簡化和優(yōu)化設(shè)計流程與設(shè)計本身：

1、使用RISC-V處理器

2、使用量子加速器

借助嵌入式RISC-V軟核從RISC?ISA的便捷編程性中獲益

首先，高度可擴展的?RISC-V?處理器被用作系統(tǒng)主力，以確保系統(tǒng)功能最大程度的在軟件中表達。使用?RISC-V?處理器的一個固有優(yōu)勢是其自定義指令，可用于擴展處理器的功能以滿足應(yīng)用要求。這確保在使用熟悉的?C/C++?語言的同時，以最高效率由處理器在本地執(zhí)行高度加速的任務(wù)。

因此，例如，要用C?語言對沒有自定義擴展指令的的傳統(tǒng)嵌入式處理器編寫卷積任務(wù)程序，設(shè)計師必須將其分解為幾條更簡單的指令。而使用?RISC-V?自定義指令，則可以在一次執(zhí)行中完成上述任務(wù)。這些基于特定應(yīng)用的指令大大減少了標(biāo)準(zhǔn)指令所需的周期數(shù)，并通過降低功耗大大提高了系統(tǒng)效率。對于人工智能算法中通常使用的卷積，使用自定義指令可將卷積加速?40至?50倍。從而顯著提高了系統(tǒng)性能。

定制指令還能讓更廣泛的產(chǎn)品組合，更快的上市。?易靈思?的一個合作伙伴創(chuàng)建了一個包含數(shù)百個自定義指令的庫，這些指令可被例化并按需調(diào)用。這給他們帶來的效果是：可以在一個通用的硬件平臺上，定義、創(chuàng)建和快速交付眾多的用戶產(chǎn)品，而產(chǎn)品間的差異僅靠?RISC-V?處理器的軟件優(yōu)化就可實現(xiàn)。

借助?FPGA?的架構(gòu)靈活性進行直捷加速

然而，自定義指令往往適合較少量的數(shù)據(jù)處理。如果用戶希望對更大數(shù)據(jù)塊執(zhí)行數(shù)學(xué)函數(shù)運算。量子加速器套接字（socket）定義了一個框架，使用戶能夠根據(jù)應(yīng)用的要求輕松地“指向”數(shù)據(jù)、檢索數(shù)據(jù)并編輯其內(nèi)容。此加速器套接字具有針對加速器功能、RISC-V?處理器、直接內(nèi)存訪問（DMA）控制器和其它處理模塊的特定輸入和輸出（見圖）。?DMA、回調(diào)（callback）和與?RISC-V?處理器的連接都在?C?中調(diào)用，并幾乎替程序員自動執(zhí)行。所需要的只是一點用于加速的VHDL代碼，而易靈思?也已經(jīng)提供了許多相關(guān)示例。

圖1

說明：?易靈思?量子加速器套接字具有特定的輸入和輸出，使用戶能夠指向大數(shù)據(jù)塊對其檢索和編輯并進行硬件加速。該套接字只需最小的?VHDL?設(shè)計就可以無縫地進行后續(xù)數(shù)據(jù)移動，因此設(shè)計師可以簡單地只需緊盯性能瓶頸就好。

這種方法的好處體現(xiàn)在極大地縮短了上市時間。使用這種預(yù)定義的加速建構(gòu)，易靈思?的一位合作伙伴設(shè)計了一款相機系統(tǒng)，包含輸入傳感器、人工智能引擎、目標(biāo)檢測和分類、以及輸出顯示子系統(tǒng)。從項目啟動到功能齊全的樣機以及量產(chǎn)，整個過程才耗時一周多一點。

硬件加速的微方法和宏路徑

總之，易靈思?FPGA?既利用了開放式?RISC-V?標(biāo)準(zhǔn)的固有優(yōu)勢，又結(jié)合了使用定制指令或能快速修改大塊數(shù)據(jù)的定制加速器框架的長處。這使電子設(shè)計公司和制造商能夠?qū)崿F(xiàn)以下目標(biāo)：

通過優(yōu)化的軟件設(shè)計流程，使產(chǎn)品最快上市

通過軟件定義的架構(gòu)化靈活平臺最大限度地降低設(shè)計和生產(chǎn)成本

創(chuàng)建一個面向未來的設(shè)計，既滿足現(xiàn)代應(yīng)用的計算需求，又可以通過附加功能輕松升級

易于編程的?FPGA?的價值

易靈思?把?FPGA?從傳統(tǒng)的不起眼的設(shè)計替代品轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計必需品。這些設(shè)計技術(shù)模糊了傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)的界限。隨著可配置、經(jīng)濟、低功耗?、具傳統(tǒng)嵌入式處理器方案速度的FPGA?的推出，借助以下方式可推動大眾市場采用這些平臺：

用集成的?FPGA方案完全替代?ASSP?設(shè)計

擴展現(xiàn)有?MCU?的功能以適應(yīng)新要求和新市場

在保有傳統(tǒng)嵌入式處理器（例如?ARM）設(shè)計流程簡單性的情況下替換嵌入式處理器

與?ASIC?等定制芯片相比，構(gòu)思和生成基于FPGA的方案所需的時間已大為縮短。?在成品足夠便宜時，在適應(yīng)性強的?FPGA?上實現(xiàn)定制功能，是可以取代ASSP。?易靈思?嵌入式?RISC-V?處理器也可以進行定制，以模仿和擴展現(xiàn)有?MCU?的功能。從模仿一款熟悉的?MCU?開始，可以在?FPGA?架構(gòu)中例化增強的自定義功能以及自定義加速模塊和?I/O?信號調(diào)整。

使?FPGA?成為設(shè)計要素

最重要的范式轉(zhuǎn)變在于能夠利用傳統(tǒng)嵌入式處理器（例如?ARM）設(shè)計流程的簡單性進行快速創(chuàng)新。高度集成的?易靈思方案包含了已為人熟知的控制器架構(gòu)和高度加速的配套模塊的各種衍生品，所有這些都在同一個硅芯片中。這為?易靈思?FPGA?在邊緣計算之外——從基本的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到數(shù)據(jù)中心卡——的更多樣化市場打開了大門。

對于很多以往需要用到通用嵌入式處理器+強大的FPGA的設(shè)計，設(shè)計師們現(xiàn)在可以用更簡單的方式在?FPGA上實現(xiàn)。傳統(tǒng)上利用標(biāo)準(zhǔn)?CPU?或?MCU（例如物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點）的項目現(xiàn)在都可以被?FPGA?所取代，且功耗相當(dāng)（如果不是更少的話），外形小巧、成本低廉以及可以直接采用軟件設(shè)計流程。還有最大的好處是：基于?易靈思?FPGA?平臺的架構(gòu)靈活性，這些設(shè)計自來就是面向未來且可升級的。

推動器件向高算力邁進的設(shè)計師也可以借力?易靈思?FPGA。這使業(yè)務(wù)能夠從傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)和寬帶用例（如家庭自動化、機器監(jiān)控和移動設(shè)備上的常用高清視頻流）轉(zhuǎn)向下一代應(yīng)用，如自動駕駛汽車、無縫沉浸式現(xiàn)實體驗（AR/VR頭戴設(shè)備）?，?等等。?易靈思?FPGA?還可以滿足這些基于邊緣、高帶寬或時間敏感的用例。企業(yè)可以通過正確的處理能力來滿足未來計算要求，從而有效地訓(xùn)練、運行和升級各自的機器學(xué)習(xí)算法。

結(jié)論

易靈思?FPGA?可以顯著簡化設(shè)計周期，立即擺脫對?ASIC?的硬件開發(fā)要求，并簡化相對CPU?和?GPU?不夠直接的硬件加速過程。?這種FPGA?產(chǎn)生了巨大影響，將?FPGA帶入了很多以往不可企及的新市場。?在向熟悉的軟件技術(shù)開放硬件設(shè)計環(huán)境的過程中，易靈思?極大擴展了可移植到?FPGA?的設(shè)計范圍，進一步縮短了上市時間并提高了最終用戶應(yīng)用的靈活性。?由此帶來的成本和密度優(yōu)勢將使?FPGA?在市場上的拓展遠遠超出傳統(tǒng)的應(yīng)用范疇，并推動其進入可觸及我們生活方方面面的應(yīng)用。

　　審核編輯：湯梓紅