可重構計算技術(shù)將漸入民用領(lǐng)域

    可重構計算（Reconfigurable Computing） 技術(shù)是指在軟件的控制下，利用系統中的可重用資源（如FPGA等可重構邏輯器件），根據應用的需要重新構造一個(gè)新的計算平臺，達到接近專(zhuān)用硬件設計的高性能。它避免了微處理器計算模式因為取指、譯碼等步驟導致的性能損失，同時(shí)也消除了專(zhuān)用集成電路（ASIC）計算模式因為前期設計制造的復雜過(guò)程帶來(lái)的高代價(jià)和不可重用等缺陷。
 
    從某種意義上來(lái)說(shuō)，可重構計算技術(shù)并不是什么新技術(shù)，在上世紀五六十年代就有科學(xué)家提出了這一概念并開(kāi)始研究，但由于受到硬件等諸多方面條件的限制，直到上個(gè)世紀九十年代中期，可重構計算技術(shù)逐漸成形并成為研究熱點(diǎn)。

已在航天與軍事領(lǐng)域得到廣泛應用

    澳大利亞科學(xué)衛星FedSat號（2002年12月發(fā)射升空）率先將可重構計算技術(shù)運用于航天領(lǐng)域。這顆衛星中采用的可重構器件（Xilinx公司的FPGA）是衛星高性能計算有效負載的關(guān)鍵器件?？芍貥嬘嬎慵夹g(shù)的采用使衛星無(wú)須返回地面即可改變內部電子線(xiàn)路，從而節省了大量的研發(fā)時(shí)間與成本。據報道，2003年時(shí)這顆衛星的一個(gè)方向傳感器出現了由振動(dòng)導致的異常，科學(xué)家們通過(guò)發(fā)送代碼補丁的方法便完成了傳感器控制算法的更新，使FedSat號得以正常運行。 此外，NASA 的“勇氣”號和“機遇”號火星車(chē)上也使用了大量可重構邏輯器件。

    在軍事領(lǐng)域，可重構計算技術(shù)的應用要更早一些。美國在50年代末就開(kāi)始了可重構計算在導彈防御(BMD)中的應用研究并一直延續至今。而美軍空軍的“寶石柱”（Pave Pillar）計劃使航空電子綜合系統具有較好的重構能力，并已成功地應用在F－22軍用飛機上?？芍貥嬘嬎慵夹g(shù)的應用使航空電子綜合系統的主動(dòng)容錯能力增強，大大提升了飛機的可靠性。

進(jìn)軍民用領(lǐng)域

    與其他許多優(yōu)秀的技術(shù)相同，可重構計算技術(shù)的應用也將逐漸由軍事、航天等領(lǐng)域向民用領(lǐng)域過(guò)渡。這是由其自身優(yōu)勢和半導體技術(shù)的不斷發(fā)展所決定的。

    可重構計算技術(shù)在民用領(lǐng)域的優(yōu)勢主要體現在三個(gè)方面。第一，可使設計者用更為簡(jiǎn)單的硬件來(lái)實(shí)現更多的功能。由于所有邏輯不需要同時(shí)出現在FPGA內，因此，支持額外特性所需的成本降低到存放配置文件所需內存的成本。第二，可降低系統的成本——對于生產(chǎn)量較小的應用而言，可節省ASIC設計與制造所帶來(lái)的成本，而對于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品而言，可重構計算技術(shù)的采用使產(chǎn)品可現場(chǎng)升級，延長(cháng)了產(chǎn)品的生命周期，因此而節省的成本更為可觀(guān)。另一方面，FPGA可通過(guò)重構多個(gè)軟核在單片上實(shí)現多個(gè)指令集的處理器。根據現場(chǎng)計算任務(wù)的劃分，實(shí)時(shí)實(shí)現不同的處理器功能，達到一次芯片設計，多個(gè)功能實(shí)現，從而大幅度降低芯片設計和制造的NRE（Non-Recurring Expenses ，一次性工程費用）成本。第三，可縮短產(chǎn)品周期——由于不再使用ASIC，可節省大量的芯片設計和驗證所需的時(shí)間，此外，可重構特性增加了設計的靈活性，設計者在設計之初無(wú)需將所有功能加入產(chǎn)品中，新的功能可在產(chǎn)品上市后逐步添加。對于那些基于網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)品（如機頂盒，移動(dòng)電話(huà)等）來(lái)說(shuō)，升級的過(guò)程甚至無(wú)需用戶(hù)參與。[2]

    另外，FPGA的迅速發(fā)展為可重構計算技術(shù)的發(fā)展提供了必要的硬件支持。作為實(shí)現可重構計算技術(shù)的關(guān)鍵器件，FPGA在過(guò)去很長(cháng)一段時(shí)間內存在計算密度低、配置時(shí)間長(cháng)、封裝復雜、高密度芯片的靜態(tài)功耗和尺寸大等問(wèn)題。在性能上不及ASIC，通用性不如處理器。因此，FPGA的應用在多媒體、通信等嵌入式應用場(chǎng)合以及硬件系統的原型設計中。如今，FPGA已經(jīng)跨入65nm時(shí)代，并能嵌入處理器軟核、乘法器以及大量的片上存儲器，I/O管腳數也得到很大程度的增加。性能和通用性的不斷提升與價(jià)格和功耗的不斷降低，將使FPGA能滿(mǎn)足可重構系統對硬件的要求。

    在民用電子領(lǐng)域中，汽車(chē)電子以其特殊性給了可重構計算技術(shù)更多的表現機會(huì )，因此，汽車(chē)電子很有可能成為可重構計算技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域的突破口。
    首先，滿(mǎn)足了對汽車(chē)電子產(chǎn)品對可靠性的要求。由于汽車(chē)工作在極為復雜的復合式工作環(huán)境下，因此對于汽車(chē)電子產(chǎn)品的可靠性要求較一般電子產(chǎn)品更為嚴格。與現在可重構技術(shù)在航空領(lǐng)域的應用相似，采用可重構計算技術(shù)有助于提升車(chē)輛的主動(dòng)容錯能力，使車(chē)輛更加安全可靠——一方面，當可重構邏輯器件上出現錯誤，可將可重構邏輯器件上的一部分配置為測試模式發(fā)生器，對器件上的故障區域做測試，同時(shí)還可以利用器件上的其他資源對測試結果進(jìn)行分析，得到具體的錯誤信息。另一方面，可重構邏輯器件擁有大量的可重構資源，一旦將錯誤定位后，可以對可重構邏輯器件重新配置，避開(kāi)產(chǎn)生錯誤的芯片區域，利用其周邊的其他可重構資源組合替代原本在出錯區域上實(shí)現的功能。這種修復方案也被稱(chēng)作“可進(jìn)化硬件”(Evolvable Hardware,EHW)修復方案。

    其次，可重構計算技術(shù)能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)改變器件配置來(lái)靈活滿(mǎn)足多種功能需求。例如，同一款車(chē)型中可能分有標準型、豪華型等,利用可重構器件使設計者無(wú)需設計多個(gè)原型系統，只需用不同的配置文件對可重構器件進(jìn)行配置，即可使產(chǎn)品在不同車(chē)型上的功能有所區別。另外，由于汽車(chē)電子領(lǐng)域內LIN、CAN、MOST以及FlexRay多種標準共存，利用可重構邏輯器件作為各種標準間的橋接邏輯，可避免這些總線(xiàn)標準間的沖突。[6]

    除了上述兩點(diǎn)之外，與可重構計算技術(shù)在其他領(lǐng)域的應用相似，它在汽車(chē)電子領(lǐng)域的應用還可提高產(chǎn)品性能、加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度并降低產(chǎn)品成本。由于該技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的優(yōu)勢顯而易見(jiàn)，目前已經(jīng)吸引到了越來(lái)越多業(yè)界廠(chǎng)商的關(guān)注。

    雖然在許多方面尚需完善，但毫無(wú)疑問(wèn)，可重構計算技術(shù)擁有光明的前景，而這種技術(shù)自身的特性決定了它絕不僅僅只適用于特殊領(lǐng)域。相信在不久的將來(lái)，可重構計算技術(shù)將隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展走入民用領(lǐng)域，為我們帶來(lái)更多的便利。

參考文獻：

[1] 鮑嘵宇　施克仁. 可重構信息處理
http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/jsjzdclykz/jsjz2000/0001/000101.htm.
[2] Michael Barr . A Reconfigurable Primer. 
http://www.netrino.com/Articles/RCPrimer.
[3] Jeff Child . FPGAs Pave Road to Reconfigurable Computing.
http://www.cotsjournalonline.com/home/article.php?id=100043.
[4] 安虹. 超級計算背后的英雄.
http://www2.ccw.com.cn/07/0704/b/0704b05_3.html.
[5] Katherine Compton. Reconfigurable Computing : A Survey of Systems and Software.
[6] 王濤 王峰.可重構計算技術(shù)在汽車(chē)電子領(lǐng)域的應用探討.電子工程專(zhuān)輯