FPGA教學:應用與研究并重

 　　競賽重在學生參與問：您對“第三屆開源硬件及嵌入式大賽”的哪些作品印象較深?

　　答：一個就是浙大的“基于FPGA的M2M異構虛擬化系統(tǒng)”設計，還有太原理工大學 的“AVS編碼FPGA實現(xiàn)”。

　　問：此次競賽是否公平?

　　答：這種評選方式不是特別學術性的，有點是大家喜好的程度的海選。從最后的結果來看，理論性的分值相對占得低了一些。

　　問：是否應該專家的權重更高一點?

　　答：總的來說我覺得名次不是最重要的，還是在參與。

　　問: 貴校(新加坡國立大學)為什么有興趣來中國參加這次比賽?

　　答: 這種設計比賽對于培養(yǎng)學生的全面能力是很好的。很多學生在做硬件的時候會發(fā)現(xiàn)，我怎么做這個硬件的軟件模擬(simulation)沒問題，為什么放到硬件板上去，它就不工作了呢?通常是因為模擬仿真時，測試向量用得很少——如果在真正的硬件環(huán)境里面去工作的話，有很多不同的向量;也有可能硬件的實際環(huán)境在測試的時候沒考慮進去，或者只測了一部分，還有更多的情況沒有測。

　　同樣地，對學生培養(yǎng)也是如此。在學校里很多學生表現(xiàn)得很好，成績很高，但畢業(yè)后，可能不見得是發(fā)展最好的。因為學校里的考試，只是測試學生的某一些方面。

　　那么怎樣去避免這類情況發(fā)生?參與這種比賽，應該說對學生全面培養(yǎng)能力是非常好的。

　　如果學生經(jīng)過這樣一些測試，然后去公司工作，會很快上手，他不會說等到你的經(jīng)理來給你說，你要做這個，要做那個，要怎么樣，他會非常主動。如果他選擇學校去念博士，同樣也會受益。

　　實際上，我們招收博士生，那他的學科成績只是一個參考，更多的會參考看看他有沒有其他業(yè)余課外的成績，比如說他是否參加了類似這樣的活動。

　　本科生、研究生的FPGA教學方向不同

　　問：本科生、研究生都能做這個FPGA的項目，博士生為何還要研究FPGA?因為現(xiàn)在FPGA平臺容易掌握，所有學生都能同樣完成一個電子設計?

　　答：本科生、研究生和博士生的區(qū)別大了。從FPGA研究來說，可以主要看出三個方面，一方面就是FPGA的結構。現(xiàn)在我們大部分的同學老師，實際上沒有接觸這個方面，基本上就是直接拿Xilinx或Altera的FPGA來用。

　　第二方面，一旦你的FPGA的結構有了改變，那么原來的這些軟件也就不能再用了，你必須要開發(fā)相應的軟件來配合改變。所以，研究的第二部分主要就是在EDA算法軟件的開發(fā)。

　　第三方面，才是FPGA對一些特定應用的解決方案。

　　大部分的學生老師目前主要還是用已經(jīng)商用的FPGA、以及現(xiàn)成的算法、開發(fā)工具，來開發(fā)一些應用。所以目前來說，應該還沒有到研究的地步。但是真正要做FPGA的研究的話，就應該是把注意力放在第一、二方面。

　　問：關于基礎研究，既然Xilinx等公司已經(jīng)把FPGA芯片做好了，我們?yōu)楹芜€會怎么改變他的結構呢?

　　答：研究和工業(yè)是兩個不同的方面。從學校的角度來說，假設我做研究，我不會去拿Xilinx的芯片來做我的研究，我會怎么做呢?我會開發(fā)一個軟件，他會描述這個FPGA硬件，可以這么說，就是相當于一個虛擬Model(模型)，就是你有一個軟件，我來描述這個FPGA的結構是什么樣的。如此，你就可以隨意描述你的FPGA結構是什么樣的，就是我并沒有把它做出來，但是我是用軟件模型來描述FPGA應該是什么樣，這是第一步。

　　第二步，對這個模型，我要開發(fā)我的算法軟件，我會把我的一些應用map上去，那么我通過這些實驗來看，我原來這個map FPGA，我能夠獲得的性能、面積和功耗。當我改進我的結構和算法以后，我把同樣的應用安到新結構上去，它是不是達到了我原來設想的要優(yōu)化的指標，并做出bench mark，這就是做結構方面的研究。

　　所以通常來說，F(xiàn)PGA的結構和算法是兩個互相緊密相關的。

　　如何學習FPGA問：您認為目前市面上的FPGA開發(fā)版、教材和書籍是否足夠?

　　答：應該說數(shù)量是非常多的，但是從質量上可能還要提高。

　　例如很多教材可能更加注重是一些比較低端的題材，就是簡單的應用，可能從基本的FPGA工作原理，以及它到底在這個結構或者算法方面有些什么最新的發(fā)展，存在的問題以及目前國際上大概是個什么樣的情況。但在研究方面的介紹相對會少。

　　問：但是研究FPGA有什么用呢?因為我們覺得賽靈思、Altera已經(jīng)做了FPGA了，我們有必要再發(fā)展自己的FPGA產業(yè)嗎?

　　答：中國也是有嘗試的。我所知道的就是復旦大學微電子系等。(筆者注：北京雅格羅技公司做國產FPGA。)

　　問：市面上已經(jīng)有很多現(xiàn)成的FPGA，為什么還要再進行基礎研究呢?

　　答：因為研究和產業(yè)本來就是兩回事，你如果要是能把你的研究跟你的產業(yè)結合起來那就更好了。

　　但是不是說你不發(fā)展這個產業(yè)就不需要做這方面的研究。從長遠來說，芯片的制造成本越來越高，未來更多的應用會慢慢地轉移到FPGA平臺上，那么人們是不是愿意把這么大一塊餅全部讓Xilinx、Altera做?這要看國家戰(zhàn)略上怎么考慮。

　　FPGA教學問：目前FPGA教學還有哪些問題呢?

　　答：對于學校來說，整個教材體系相對比較穩(wěn)定。你要做一個比較大的教材改變，通常需要學校下一個比較大的決心的。所以FPGA推廣到教學的阻力主要在這個方面。

　　你如果要是下定決心做一些改變，第二步，就是你怎么把FPGA跟原有的這些教材體系能夠很好地結合。因為FPGA的發(fā)展非?？臁＠?，原來FPGA里面是純邏輯，跟原來的數(shù)字教學很容易結合;但是現(xiàn)在FPGA里面又把處理器加進來，就變成一個很大的系統(tǒng)，整個的教學的難度和范圍大大地增加了，所以很難把它放到同一門課里面，一次就把它全部講完。這時就需要一個比較系統(tǒng)的規(guī)劃——可能在一門課里面只用它的一部分，另外一門課里面用另外一部分，然后都把同一類FPGA做一個共同的平臺，在不同課里面我側重某一個點，可能在高年級一門課再把它們集成。這樣的一種方法，可把難度分散。同時又有完整綜合的機會。

　　問：您的意思是工程師用Xilinx Zynq的難度挺大?

　　答：要看他是什么樣的背景，因為現(xiàn)在這個Zynq它上面就是說它的平臺的話呢，實際上之前就有了，就是他從這個抽象層次來說，它就是一個軟件硬件的一個可以編程的平臺。只是說現(xiàn)在我們把它從原來的這個MicroBlaze或者PowerPC轉成ARM核，從這個角度來說，它并不是一個完全大的改變，只是說里面換了處理器核。對某些工程師來說，可能它更簡單了，因為如果他之前就是在ARM平臺上面工作的，現(xiàn)在反而對他來說簡單。

　　他的難度主要是，要看這個工程師之前的背景是什么，他如果是硬件工程師，他可能又要熟悉這個ARM部分，如果他以前是軟件工程師，他可能就會感覺難度小一點。

　　總的來說，因為現(xiàn)在這個平臺太大，要求一個工程師有硬件、軟件方面的能力都很強，基本上現(xiàn)在還是很困難的?，F(xiàn)在目前業(yè)界的大部分工程師他們都只有一個方面的經(jīng)歷。

　　問：Xilinx還做了一些收發(fā)器，是不是難度也增大了?

　　答：之前，Xilinx的FPGA里沒有很多收發(fā)器。現(xiàn)在芯片容量加大了，那么Xilinx當然為了使用者的方便，會把更多更多的IP 核加進來。之前是存儲器塊，后來處理器、DSP等都有了，現(xiàn)在加了收發(fā)器、ADC。現(xiàn)在可能唯一少的一個就是RF這部分。如果RF加了，這個芯片就是很完整的一個終端。

　　問：Xilinx的FPGA和Altera有什么區(qū)別?或者對于FPGA教學，應該是兩個都教，還是學一個就可以了?

　　答：它的關系好像VHDL跟Verilog的關系。

　　從技術上來說，VHDL能做的，Verilog也能做。但是他們主要是一個非技術的劃分。像VHDL的主要引擎是歐洲公司里用得多，Verilog在美國公司里面用得較多。但是現(xiàn)在慢慢的話，這個界限也越來越模糊了。因為總的來說，如果要是一個大的系統(tǒng)的話，通常你會要用很多的IP核。對于IP核，有的公司是Verilog，有的是VHDL，這沒關系，反正現(xiàn)在他們可以混在一起用。

　　那么兩家FPGA公司也一樣，賽靈思能做的東西，Altera基本上也能做，反之亦然。所以慢慢地從技術上來說，兩家主要是拼市場、拼支持。

　　或者看誰更用功。如果誰把這個新的用戶抓住了，他就抓住了一個可持續(xù)性的市場。因為一家公司一旦決定用你的產品，除非出現(xiàn)了非常大的問題，一般來說這家公司不會輕易的轉換平臺。比如有一個功能對整個系統(tǒng)影響非常大，你的競爭對手有了，你還沒有，這個Gap會比較大，那時候別家就會入選。一旦被他搶過去以后就很難回來了。因為工業(yè)界的產品的發(fā)展不像研究，很少會做一個嶄新的產品。工業(yè)界的產品一般都有一定的延續(xù)性，是一步一步地上去，任何一個突變，對他來說都有風險，所以他會避免。

　　照片 本刊采訪哈教授，左為“電子產品世界”網(wǎng)站總監(jiān)王煒，右為筆者