可重構計算：高效靈活的計算技術(shù)

在大眾已經(jīng)習慣的計算模式中，處理器和專(zhuān)用集成電路（ASIC）一直是兩大主流。伴隨著(zhù)應用領(lǐng)域特別是嵌入式環(huán)境對系統的性能、能耗、上市時(shí)間等指標需求的不斷提高，傳統的計算模式暴露出了種種弊端。可重構計算技術(shù)集中了處理器和專(zhuān)用集成電路的優(yōu)勢，能夠提供高效靈活的計算能力，自上世紀九十年代以來(lái)越來(lái)越受到業(yè)界的重視。不過(guò)，目前對可重構計算技術(shù)的研究仍舊處于初期階段，還有很多難題等待解決。

可重構沖擊傳統計算模式

面臨一個(gè)應用，如何去實(shí)現它？軟件設計者會(huì )使用編程語(yǔ)言編寫(xiě)一段代碼，將其編譯后在處理器上執行；硬件設計者則會(huì )利用原理圖或者硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設計，然后以專(zhuān)用集成電路的方式實(shí)現。處理器和專(zhuān)用集成電路已經(jīng)成為了傳統計算模式的兩大主流，我們也已經(jīng)習慣了這兩種計算模式。但在和這兩位“老朋友”打交道的時(shí)候，仍舊會(huì )時(shí)不時(shí)感覺(jué)到有很多不盡如人意的地方。

處理器（包括通用處理器和各種專(zhuān)用的嵌入式處理器）計算模式的特點(diǎn)在于它們都具有各自的指令集，通過(guò)執行指令集中的相關(guān)指令來(lái)完成計算，改寫(xiě)軟件指令就能改變系統實(shí)現的功能，而不用去改動(dòng)底層的硬件環(huán)境。但處理器的運算速度要比ASIC慢很多，這主要是因為處理器必須從存儲器中讀取每條指令，將其譯碼后再執行，因而每個(gè)獨立的操作具有更高的執行開(kāi)銷(xiāo)。另外，處理器的指令集是由處理器自身體系結構決定的，沒(méi)有用專(zhuān)門(mén)指令實(shí)現的操作只能使用已有的指令組合來(lái)處理，這也增加了執行的開(kāi)銷(xiāo)。



專(zhuān)用集成電路是針對某一特定應用專(zhuān)門(mén)設計的硬件電路。專(zhuān)用集成電路計算模式的特點(diǎn)在于用硬件來(lái)實(shí)現應用的操作。因為針對特定應用設計，所以在執行相應應用時(shí)具有很高的速度、效率和精度。但其缺陷在于開(kāi)發(fā)周期太長(cháng)，代價(jià)太高。而且硬件電路一旦制作好以后是不能夠被隨意改動(dòng)的。這就意味著(zhù)如果功能的需求發(fā)生了變化，就需要重新設計和重新加工新的專(zhuān)用集成電路芯片。哪怕只是芯片上的很小一部分線(xiàn)路需要修改，也要重新制作整個(gè)芯片。如果針對各種不同的應用都專(zhuān)門(mén)設計專(zhuān)用的電路芯片，就會(huì )帶來(lái)高昂的成本。

由此可見(jiàn)，現有的主流計算模式中存在的主要問(wèn)題是:處理器方式能夠靈活地實(shí)現各種應用，但卻在性能上有缺陷；而硬件邏輯實(shí)現性能雖然高，但靈活性卻很差。為了在計算性能和實(shí)現靈活性上做一個(gè)很好的權衡，可重構計算（Reconfigurable Computing）技術(shù)浮出了水面。

技術(shù)發(fā)展現狀

可重構計算的概念早在上個(gè)世紀六七十年代就有學(xué)者以不同的表述方式提出過(guò)。由于技術(shù)條件的限制，直到九十年代中期才逐漸興起。目前比較權威的定義是“設立物理控制點(diǎn)定制硬件該如何工作，通過(guò)改動(dòng)這些控制點(diǎn)使用戶(hù)能夠使用相同的硬件執行不同的應用”。當前已經(jīng)有多個(gè)基于可重構計算技術(shù)的原型系統被開(kāi)發(fā)出來(lái)，運用在自動(dòng)目標識別、串匹配、數據壓縮等應用領(lǐng)域，取得了非常好的效果。最近幾年，可重構計算技術(shù)已經(jīng)邁過(guò)了探索階段，研究者們開(kāi)始更深入地對可重構計算通用模型進(jìn)行研究，為后續的可重構計算系統的廣泛應用打好基礎。