高性能汽車(chē)和FPGA？――共同點(diǎn)比您想象得多

上世紀60年代以及70年代早期被認為是“肌肉車(chē)”時(shí)代。這是從中端汽車(chē)設計采用大型發(fā)動(dòng)機開(kāi)始的。最著(zhù)名的例子包括Chevelles、Fairlanes、GTO、442、Chargers和Roadrunners。同一時(shí)期，福特Mustang開(kāi)始發(fā)展“小馬汽車(chē)”，很快就引來(lái)了競爭，例如Camaro、Firebird、Barracuda、AMX和Challenger等。那時(shí)發(fā)動(dòng)機大小是由立方英寸表示的，明顯的能看到車(chē)上的發(fā)動(dòng)機。“396”、“429”、“440”或者“455”等數字代表了性能的高低。

這些發(fā)動(dòng)機中最傳奇的當屬426 Hemi。該發(fā)動(dòng)機自從1964年推出以來(lái)，先后發(fā)展了第一、第二、第三和第四代，NASCAR限制它后，名聲大噪。從1966年直到1971年，要符合NASCAR的批準條款，或者產(chǎn)品質(zhì)量制造要求，這促使著(zhù)名的“Street Hemi”面市，部分道奇和普利茅斯采用了它。

Hemi發(fā)動(dòng)機排量為7升，采用高轉速氣缸，上面是兩個(gè)籃球大小的4缸化油器，具有非常保守的425 hp額定功率。很少有汽車(chē)能夠比得上采用了Hemi的Cudas和Challengers;可能只有427 Corvette能夠與其相匹敵。

肌肉車(chē)時(shí)代一直持續到今天，可選擇的車(chē)型越來(lái)越有限了。其價(jià)格是可以接受的，大部分消費者都買(mǎi)得起Camaro、Mustang、Corvette、Challenger或者Charger，這些車(chē)有V8發(fā)動(dòng)機，達到400+ hp，600-700 hp的發(fā)動(dòng)機還有其他選擇。

今天的FPGA生產(chǎn)商正在進(jìn)行類(lèi)似的競爭，這對于FPGA客戶(hù)非常有好處。在過(guò)去幾年中，邏輯密度、存儲器容量、DSP模塊、收發(fā)器速率和數量等，幾乎所有的性能指標都在不斷增長(cháng)。當然，讀者對此并不陌生。

一項對比是怎樣實(shí)現這些性能，也就是理論和實(shí)際相聯(lián)系?；氐阶畛醯募∪廛?chē)時(shí)代，既有手擋也有自動(dòng)擋。忠實(shí)的發(fā)燒友選擇了手擋。在一名好司機手里，4速手擋明顯要好于低效的3速自動(dòng)擋。手擋也更省油，但那時(shí)候不太關(guān)心這些。

然而，對于現代的肌肉車(chē)，情況正好相反。自動(dòng)擋使用電子控制而不是油壓控制，換擋的速度在100-200ms量級，比人快得多，轉速匹配也是如此。電子控制功能幫助司機防止車(chē)輪打滑。含有換擋撥片是用于選擇自己的檔位，盡管這很難提高性能。自動(dòng)擋現在也很省油，這在今天很重要。檔位的相對數量現在反過(guò)來(lái)了。例如，現在的道奇挑戰者有8速自動(dòng)擋和6速手動(dòng)擋。當然，很多純粹主義者不論是出于傳統還是手動(dòng)換擋的直接感覺(jué)，還是喜歡手擋。但這再也不與提高性能有關(guān)了。

對于FPGA，也有同樣的發(fā)展趨勢，但不是那么眾所周知。傳統上，FPGA是在Verilog或者VHDL中手動(dòng)進(jìn)行編程的，使用定點(diǎn)(整數)數字表示，編程人員決定底層實(shí)現，例如，什么時(shí)候插入流水線(xiàn)寄存器等。即使是綜合和適配器工具全部自動(dòng)完成設計，最終設計的質(zhì)量也基本取決于FPGA編程人員的技術(shù)水平。

新的FPGA體系結構開(kāi)始改變這些。例如，現在的Altera Arria 10 FPGA在數千個(gè)DSP模塊中內置了單精度浮點(diǎn)引擎。使用浮點(diǎn)，FPGA編程人員在每次數字運算后，不必再確定位寬、截斷與飽和級，極大的簡(jiǎn)化了編程任務(wù)。浮點(diǎn)數字表示和實(shí)現自動(dòng)完成這些工作。整數現在保留用于常見(jiàn)的功能，例如，循環(huán)計數、狀態(tài)機和存儲器索引等。這在算法仿真和實(shí)現之間建立了直接通路，保持了系統和FPGA工程師之間的一致性。

使用傳統的Verilog和VHDL設計流程支持這些特性的實(shí)現，仍然會(huì )繼續主導FPGA設計流程。但是，還有其他設計流程。OpenCL是GP-GPU編程人員的語(yǔ)言，現在針對FPGA進(jìn)行了優(yōu)化，提供真正的“按鍵式”編譯體驗。

采用基于模型的設計，設計人員可以繼續留在Mathworks環(huán)境中，也能夠獲得最佳結果，很多復雜的大吞吐量參考設計證明了這一點(diǎn)。

與手擋相似，FPGA設計人員仍然可以選擇像以前一樣進(jìn)行設計和優(yōu)化，傳統的設計也會(huì )跟以前一樣工作。但是，FPGA設計人員會(huì )發(fā)現，新的自動(dòng)的方法能夠實(shí)現相同甚至更優(yōu)的結果。而且，隨著(zhù)邏輯密度的快速增長(cháng)，很多工程師會(huì )發(fā)現他們沒(méi)有足夠的時(shí)間像以前一樣手動(dòng)優(yōu)化大規模FPGA設計。就像高性能肌肉車(chē)一樣，在FPGA世界中，應該開(kāi)始發(fā)揮自動(dòng)化的優(yōu)勢了。