软硬件工程师都要懂的概念：FPGA之异构计算

对于一个开发人员，可能听说过FPGA，甚至在大学课程设计中，可能拿FPGA做过计算机体系架构相关的验证，但是对于它的第一印象可能觉得这是硬件工程师干的事儿。

目前，随着人工智能的兴起，GPU 借助深度学习，走上了历史的舞台，并且正如火如荼的跑者各种各样的业务，从 training 到 inference 都有它的身影。FPGA 也借着这股浪潮，慢慢地走向数据中心，发挥着它的优势。所以接下来就讲讲 FPGA 如何能让程序员们更好友好的开发，而不需要写那些烦人的 RTL 代码，不需要使用 VCS，Modelsim 这样的仿真软件，就能轻轻松松实现 unit test。

实现这一编程思想的转变，是因为 FPGA 借助 OpenCL 实现了编程，程序员只需要通过 C/C++ 添加适当的 pragma 就能实现 FPGA 编程。为了让您用 OpenCL 实现的 FPGA 应用能够有更高的性能，您需要熟悉如下介绍的硬件。另外，将会介绍编译优化选项，有助于将您的 OpenCL 应用更好的实现 RTL 的转换和映射，并部署到 FPGA 上执行。

FPGA 概览

FPGA 是高规格的集成电路，可以实现通过不断的配置和拼接，达到无限精度的函数功能，因为它不像 CPU 或者 GPU 那样，基本数据类型的位宽都是固定的，相反 FPGA 能够做的非常灵活。在使用 FPGA 的过程中，特别适合一些 low-level 的操作，比如像 bit masking、shifting、addition 这样的操作都可以非常容易的实现。

为了达到并行化计算，FPGA 内部包含了查找表（LUTs），寄存器（register），片上存储（on-chip memory）以及算术运算硬核（比如数字信号处理器 (DSP) 块）。这些 FPGA 内部的模块通过网络连接在一起，通过编程的手段，可以对连接进行配置，从而实现特定的逻辑功能。这种网络连接可重配的特性为 FPGA 提供了高层次可编程的能力。（FPGA的可编程性就体现在改变各个模块和逻辑资源之间的连接方式）

举个例子，查找表（LUTs）体现的 FPGA 可编程能力，对于程序猿来说，可以等价理解为一个存储器（RAM）。对于 3-bits 输入的 LUT 可以等价理解为一个拥有 3位地址线并且 8 个 1-bit 存储单元的存储器（一个8长度的数组，数组内每个元素是 1bit）。那么当需要实现 3-bits 数字按位与操作的时候，8长度数组存的是 3-bits 输入数字的按位与结果，一共是 8 种可能性。当需要实现 3-bits 按位异或的时候，8长度数组存的是 3-bits 输入数字的按位异或结果，一共也是 8 种可能性。这样，在一个时钟周期内，3-bits 的按位运算就能够获取到，并且实现不同功能的按位运算，完全是可编程的（等价于修改 RAM 内的数值）。

3-bits 输入 LUT 实现按位与（bit-wise AND）：

注：3-bits 输入 LUT 查找表

我们看到的三输入的按位与操作，如下所示，在 FPGA 内部，可通过 LUT 实现。

如上展示了 3输入，1输出的 LUT 实现。当将 LUT 并联，串联等方式结合起来后就可以实现更加复杂的逻辑运算了。

传统 FPGA 开发

▍传统 FPGA 与软件开发对比

对于传统的 FPGA 开发与软件开发，工具链可以通过下表简单对比：

注：传统 FPGA 与软件开发对比表

重点介绍一下，编译阶段的 Synthesis (综合)，这部分与软件开发的编译有较大的不同。一般的处理器 CPU、GPU等，都是已经生产出来的 ASIC，有各自的指令集可以使用。但是对于 FPGA，一切都是空白，有的只是零部件，什么都没有，但是可以自己创造任何结构形式的电路，自由度非常的高。这种自由度是 FPGA 的优势，也是开发过程中的劣势。

写到这里，让我想起了最近 《神秘的程序员们》中的一个梗：

注：漫画来源《神秘的程序员们56》by 西乔

传统的FPGA开发就像10岁时候的 Linux，想吃一个蛋糕，需要自己从原材料开始加工。FPGA 正是这种状态，想要实现一个算法，需要写 RTL，需要设计状态机，需要仿真正确性。

▍传统 FPGA 开发方式

复杂系统，需要使用有限状态机（FSM），一般就需要设计下图包含的三部分逻辑：组合电路，时序电路，输出逻辑。通过组合逻辑获取下一个状态是什么，时序逻辑用于存储当前状态，输出逻辑混合组合、时序电路，得到最终输出结果。

然后，针对具体算法，设计逻辑在状态机中的流转过程：

实现的 RTL 是这样的：