大話FPGA-“萬能的芯片？”_風聞

説起FPGA之前，先提個問題。

芯片的本質是什麼？

老哥認為芯片的本質是電路！

簡單來説，數字芯片，不論多複雜，其底層就是 與，或，非的組合。

這個是某寶上可以買到的世界上簡單的芯片之一， 74LS系列，很便宜，兩毛錢；

               

其功能就是二輸入與非門。這是一個最簡單的芯片，其電路和版圖如下

                        

上圖中一共4個二輸入與非門。

而CPU或者GPU等大芯片，有幾千萬門甚至上億門的電路。

但是如果我們深入到大芯片的底層，就會發現這些大芯片也是一個與非門，或非門，等邏輯門組成的。

這就是電路，CPU和GPU也是一種電路的組織形式。

無論多複雜的芯片，都是芯片設計工程師通過硬件描述語言（HDL）來描述電路。

看起來像是和軟件工程師一樣，都在敲代碼，在編程，實際上是在搭電路。

EDA工具把語言轉換成電路，最終得出這個版圖（GDS）。然後這個版本提交給廠家生產。流片廠家把GDS變成硅。封裝廠家完成硅 （DIE）到 CHIP的封裝。

這個過程和設計PCB電路基本上是非常相似的。

都是電路轉換成PCB 到廠家製版。

我們所説的卡脖子，目前看，主要是製造環節，也就是從版圖到硅的階段。其他也有，但是這個問題這個有時間找專題另説。

今天主要説一下 ，設計一款芯片研發最大的問題是啥？

有兩點是大家公認的。

第一，研發迭代週期長：

大芯片花費了一年或者2年研製，這個很常見。或者因為功能缺陷，或者市場變化，最終沒有賣出去，又要重新迭代。這個就是非常恐怖，小的芯片公司，因為芯片失敗，錢花光，直接一波流帶走也是很常見的。

第二，芯片投入高：

芯片研發包括流片成本，IP成本，人力成本等。28nm的MASK在1000萬，12nm接近2500萬，除此之外還有人力，IP等成本。研發一顆28nm的芯片總投入成本投入大幾千萬還是有的，7nm和5nm更是幾億的投入。這麼高的成本（NRE），將來要分攤到每一顆芯片上去的。

如果一個項目或者需求，只有幾千顆或者幾萬顆的量，是否值得來去研發芯片就是一個很大的問題。

流片不合適，那麼沒有一種替代的方案？迭代週期短，代價小的實現這個電路的需求。

FPGA，他來了！

1：FPGA：實現電路的電路

FPGA  

Field Programmable Gate Array。

現場可編程門陣列。

FPGA和專用芯片不同。

可以編程。

文章開頭説過了， 芯片的本質就是電路。

那麼FPGA的本質是什麼？

FPGA本質也是一種芯片。

但是可以也可以實現數字電路功能，如CPU，GPU，NPU等這些電路，都可以放在FPGA內部實現，效率另説。。

那FPGA的本質就是可以通過編程實現電路的電路。

這個是怎麼做到的？

或者説，什麼樣的電路可以實現與或非這些基本操作

我們以 F=A&B&C&D 這個電路舉例：

一個16x1的RAM，這個RAM的每一bit都可以編程為0或1。

這個RAM有4位地址， DCBA。通過這4bit選擇RAM的輸出。

通過配置RAM中不同的值，實現輸出F 和輸入A，B，C，D的關係

               

上圖中，我們把16bitRAM 配置為 0000000000000001 ，這個電路 則等效 F=A&B&C&D；

只有A=B=C=D=1時， F=1，其他情況 F=0；

完美實現了 F=A&B&C&D；

重要的事情再説一遍；

16bitRAM 配置為 0000000000000001 ， 則等效F=A&B&C&D；

那麼現在“0000000000000001” 這串數就是FPGA的編程。

這就是FPGA最基本的原理；

舉一反三，如果實現電路 F=A|B|C|D 。

這個電路如何編程：

               

16bit RAM 配置為 01111111111111111， 則等效F=A|B|C|D。

大家可以試一下：通過配置16bitRAM 的值，可以實現A，B，C，D四個輸入的任何邏輯操作。

FPGA就是利用了這個轉化，具備了描述任何電路的能力。

上圖這個結構在FPGA中有一個專有名詞，叫做LUT ，lookup table（ 查找表）。

LUT就構成了所有FPGA的最基本的單元。

LUT只能實現數字組合邏輯，所以又添加了一個寄存器flipflop （ff），可以實現數據的鎖存；

如下圖所示：LUT+寄存器構成了現代FPGA基本結構。

FPGA的基本結構，就是依靠如此簡單的電路實現了無比複雜的邏輯。

這個包括LUT和FF的基本結構，這兩個合併成為一個基本的邏輯單元（LOGIC BLOCK）。

這種能夠實現ABCD四個輸入計算的LUT的叫做4輸入LUT，此外還有5輸入，6輸入等等變種。

萬變不離其宗。

這種結構，從FPGA誕生以來，就沒有怎麼變過。     

這個電路，也可以看作是一個最小的FPGA。

現在能實現一個功能的芯片，少則幾萬門，多則幾千萬門，上億門。

單純靠這個電路實現，這就是開玩笑了。

那麼就需要無數的LUT和FF來實現，。

FPGA就實現了一個無數 Logic Block（Logic Block內部就是LUT+FF）的陣列，中間用佈線資源連接起來。

把互聯和邏輯單元結合起來就是一個FPGA芯片，圖如下所示。

               

一個典型的FPGA開發流程如下。從HDL（verilog的電路描述語言）到配置文件 bit流

相比一下，專用芯片的開發流程從HDL（verilog的電路描述語言）到硅。這個時間就長多了。

               

這些bit流包括啥？

開頭説過了，16bitRAM （LUT）配置為 0000000000000001 ， 

則等效F=A&B&C&D；

FPGA最終生成的Bit-stream流，包括 LUT 的配置文件，以及佈線資源的配置文件。

到這裏，FPGA的設計及編程就完成了。

簡單明瞭！

2：EDA工具：從知到行的距離

看起來設計一個FPGA芯片也不復雜。

電路不復雜，市場上高性能的FPGA，可選擇的餘地不多。

從知到行，這裏面有一個巨大的鴻溝，

按照本文開頭的原理，假如一個廠商設計完畢了一款FPGA芯片。

等到給客户使用的時候，就碰上了一個大麻煩。

EDA工具。

如果給客户提供FPGA芯片，則需要配套提供給客户一個EDA工具。

沒有EDA工具，難不成讓客户手動生成FPGA的bitstream的文件。

芯片都做出來了，EDA工具，還難嗎？

難，真的難！

這是一個巨大的坑。

下圖是一個 開源的FPGA的設計流程（OpenFPGA），我們可以看看，即使一個開源項目，其涉及到的EDA工具最少都要有哪些？

               

這些需要給客户的EDA工具包括：

1：綜合工具

2：佈局佈線工具

3：bit生成工具

4：時序分析工具

5：仿真工具

6：嵌入式邏輯分析儀器等調試工具

7：功耗分析工具

這些還算是最少的集合，但已經比一個CPU芯片提供給用户GCC編譯工具要難多了。

老哥裝過某司的EDA工具，這些大小都是十幾個G，比windows安裝盤還要大。

如果CPU的GCC工具難度是1，FPGA的EDA工具的難度就是10到100。

借用《讓子彈飛》裏的一段話：

項目成功了，芯片功勞怎麼才佔7成。

七成是EDA的，芯片也就三成。

就這三成，還要看EDA的臉色。

辛辛苦苦半天，做出來芯片，還要看EDA工具的臉色。 

看看EDA都有哪些“臉色”？                          

以上圖的佈局佈線工具為例，看起來就比較複雜。

如果做不好，整個FPGA的利用率極低，還布不通，你説重要不重要。

除了傳統的EDA工具，實現HDL，例如verilog這種編程之外，還包括HLS這種高層次綜合的描述語言。

               

HLS的引入使軟件工程師也能參與到FPGA設計中來，把電路開發屏蔽掉，直接開發軟件，這個就更是EDA工具的能力了。

但是，這個本質上，講高級語言（C，C++）轉換成硬件描述語言（HDL），在通過綜合工具轉換成電路。

好處是，更貼近軟件工程師的習慣，缺點就是加了一層轉換，帶來了效率的損失。

3：FPGA的架構：融合超越

文章開始説了，FPGA就是Logic Block，內部主要是（LUT+FF），以及佈線資源。

除了這些。

FPGA還有很多硬核IP，也叫做宏單元。

例如PLL，SERDES，RAM等常規IP的。

隨着現在芯片的演進。

FPGA內部也集成了很多新的東西。

這些新東西中，比較有特色的就是CPU，在FPGA內部集成了硬核CPU系統，甚至可以運行OS（操作系統）。

這樣CPU+FPGA。

CPU軟件編程，FPGA 硬件電路編程，

這個就是雙劍合璧，更勝一籌。

同樣serdes也是高端FPGA的必須模塊，沒有serdes，FPGA就是孤家寡人，沒有辦法實現和其他芯片電路的高速互聯。

現在與外部器件連接，支持比如PCIe，SATA，10G/100G ethernet這些高速協議。

數字信號處理，FPGA應用於數字信號處理等計算密集型任務，如雷達等等

所以，FPGA內部也集成了了很多DSP單元，實現乘法等操作。

為了在人工智能時代分一杯羹，有的FPGA內部集成了用於AI處理的神經網絡加速的硬核。

總結一下，除了LUT，FPGA內部集成硬核IP包括：

1：RAM：用於實現存儲資源；

2：PLL：提供高速的時鐘信號和資源；

3：DSP：乘法操作，濾波器，數字信號處理模塊；

4：SERDES：實現PCIE，SATA，FC，100G ethernet等高速接口

5：CPU系統：提供軟件編程開發能力；

6：NPU硬核：提供AI處理加速；

而根據市場需要，還可能添加更多的硬核IP 與傳統的FPGA進行融合。

融合更多功能IP。

這就是FPGA架構未來的趨勢。

4：FPGA優勢：解決問題才是王道

FPGA和CPU有什麼區別和優勢？

我們討論一種架構的優劣，重點是解決了什麼問題？

而不是CPU與FPGA，孰優？

只有放在固定的應用場景下，才能説哪種架構更適合解決這些問題。

FPGA編程是電路，本質上還是可以看作，邏輯門（與或非）等等效電路。

CPU是指令操作，運行的是軟件。

FPGA是時間並行運行的，而CPU是時間串行的，單CPU核總是需要一條一條來執行指令來實現功能（也有指令級並行，但原理不變）。

FPGA的並行度較高，相比CPU的計算方式，數據吞吐量大，時延控制比較好。

但是CPU的頻率很高，可以運行操作系統，作為通用計算單元非常靈活，並不是FPGA更能做的。

FPGA更適合做ASSP，配合CPU做專門的運算單元使用，適合專一的大數據量的計算。

FPGA既然是”萬能的芯片“，似乎那就可以替代實現所有芯片功能。

是不是可以不研發專用芯片，只用FPGA。

相比專用集成電路：FPGA有三個劣勢

1：面積大，成本高：

和專用集成電路（芯片）相比，FPGA由於採用LUT來表徵基本邏輯門單元，所以其面積粗略來比是專用電路的10倍，所以其成本簡單類比也會高很多。

2：面積大，功耗高：

同樣功耗也沒有優勢，做低功耗設備，例如手持的供電式設備，基本不太可行。

3：運行頻率低，計算效率低。

FPGA內部LUT之間，由於其互聯較長，導致FPGA的頻率相比同工藝下的ASIC也是慢很多。專用電路門與門之間的延遲要小很多。

但是，FPGA優勢也很明顯。

FPGA最大的優勢，就是靈活性高。

用FPGA不用重新流片，節約了NRE成本。

在一些雷達，5G，網絡，存儲，高性能計算等數據密集型計算領域都有廣泛的應用。

特別是需求不明確，量不大，不值得做芯片，或者，需求老在變化，FPGA都是不錯的選擇。

intel收購後altera後， FPGA的重心變成了數據中心市場，特別是利用FPGA在數據中心加速方面，投入頗大，最新的intel的IPU其中是FPGA技術，用於數據中心基礎設施的卸載，也是類似DPU的一種實現。（見上一篇：大話DPU—從網絡到數據）。

目前很多家DPU都是用Intel和Xilinx的FPGA實現的。

這個就是DPU需求不固定，數據中心對於DPU的需求一直在變化的一種體現。

FPGA全球市場2018年大約60億美金，Xilinx 和Altera 是這個FPGA市場上最重要的提供者，其他都是比較小的公司。（2015年英特爾宣佈以167億美元收購FPGA廠商Altera），給其他家留的份額就不多了。

               

老哥早些年，這兩家FPGA都使用過，各有千秋。

國內也有很多FPGA的公司，有的出貨也比較客觀。與國外巨頭相比，處於解決了有無的問題階段，能夠滿足部分國產化需求。其容量，性能，特別是EDA工具方面，有明顯的差距，還需要繼續市場的磨練。

這裏舉兩個國產FPGA的非典型案例，非常有意思。

2014年，俄羅斯併入克里米亞，美國出售制裁，美國對俄羅斯的封鎖禁運也是很厲害，俄羅斯芯片告急，特別是高端的FPGA芯片，某司FPGA芯片抓住這個機會，解決了國際友人的燃眉之急，成就了某司的FPGA出口，也獲得不錯的利潤。

另外，某手機大廠手機屏幕是有特殊轉碼格式的，所以如果返修，只能使用原廠屏，其他屏幕格式對不上，原廠屏價格很高。某司就定做了一批超小型FPGA，實現了手機屏的解碼，中國的屏幕提供廠很多（LCD+LED等等），直接就可以替代原廠屏，在手機返修屏市場也是賣的風聲水起。

在這些細分領域，找到了定位，實現了很大的突破，不論是利潤還是數量。

如果有數量幾十萬片，幾百萬片，甚至更多，做專用芯片更合適。

如果沒有那麼多數量，需求又不固定，用FPGA更合適。

芯片設計中，其中有個環節叫做FPGA原型驗證，FPGA原型驗證就是把芯片代碼放在FPGA做原型實現，加快芯片設計迭代的速率。

本文開始説：FPGA特性，就是能夠描述芯片電路。

所以數字芯片流片之前，用FPGA裝入芯片邏輯來等效測試，也是非常重要的一個環節。

從這個角度看，FPGA和芯片（專用集成電路）從來就不是對立的，

FPGA，萬能芯片，從功能上看是萬能的，理論上可以實現所有功能。

但是從，PPA上看，性能，功耗，面積（成本），這三個維度來衡量，又是非常受限的。

FPGA也在進化，拓展更多的領域，滿足那些變化的市場需求。

也有部分市場需求更為固化，被專用芯片所取代。

萬能的芯片，變化的應用。

找到市場定位，解決用户的問題，才能獲得一席之地。

FPGA是如此，芯片也是如此。