FPGA教學(xué):應(yīng)用與研究并重

 　　競(jìng)賽重在學(xué)生參與問(wèn)：您對(duì)“第三屆開(kāi)源硬件及嵌入式大賽”的哪些作品印象較深?

　　答：一個(gè)就是浙大的“基于FPGA的M2M異構(gòu)虛擬化系統(tǒng)”設(shè)計(jì)，還有太原理工大學(xué) 的“AVS編碼FPGA實(shí)現(xiàn)”。

　　問(wèn)：此次競(jìng)賽是否公平?

　　答：這種評(píng)選方式不是特別學(xué)術(shù)性的，有點(diǎn)是大家喜好的程度的海選。從最后的結(jié)果來(lái)看，理論性的分值相對(duì)占得低了一些。

　　問(wèn)：是否應(yīng)該專家的權(quán)重更高一點(diǎn)?

　　答：總的來(lái)說(shuō)我覺(jué)得名次不是最重要的，還是在參與。

　　問(wèn): 貴校(新加坡國(guó)立大學(xué))為什么有興趣來(lái)中國(guó)參加這次比賽?

　　答: 這種設(shè)計(jì)比賽對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的全面能力是很好的。很多學(xué)生在做硬件的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，我怎么做這個(gè)硬件的軟件模擬(simulation)沒(méi)問(wèn)題，為什么放到硬件板上去，它就不工作了呢?通常是因?yàn)槟M仿真時(shí)，測(cè)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(shí)際環(huán)境在測(cè)試的時(shí)候沒(méi)考慮進(jìn)去，或者只測(cè)了一部分，還有更多的情況沒(méi)有測(cè)。

　　同樣地，對(duì)學(xué)生培養(yǎng)也是如此。在學(xué)校里很多學(xué)生表現(xiàn)得很好，成績(jī)很高，但畢業(yè)后，可能不見(jiàn)得是發(fā)展最好的。因?yàn)閷W(xué)校里的考試，只是測(cè)試學(xué)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(yīng)該說(shuō)對(duì)學(xué)生全面培養(yǎng)能力是非常好的。

　　如果學(xué)生經(jīng)過(guò)這樣一些測(cè)試，然后去公司工作，會(huì)很快上手，他不會(huì)說(shuō)等到你的經(jīng)理來(lái)給你說(shuō)，你要做這個(gè)，要做那個(gè)，要怎么樣，他會(huì)非常主動(dòng)。如果他選擇學(xué)校去念博士，同樣也會(huì)受益。

　　實(shí)際上，我們招收博士生，那他的學(xué)科成績(jī)只是一個(gè)參考，更多的會(huì)參考看看他有沒(méi)有其他業(yè)余課外的成績(jī)，比如說(shuō)他是否參加了類似這樣的活動(dòng)。

　　本科生、研究生的FPGA教學(xué)方向不同

　　問(wèn)：本科生、研究生都能做這個(gè)FPGA的項(xiàng)目，博士生為何還要研究FPGA?因?yàn)楝F(xiàn)在FPGA平臺(tái)容易掌握，所有學(xué)生都能同樣完成一個(gè)電子設(shè)計(jì)?

　　答：本科生、研究生和博士生的區(qū)別大了。從FPGA研究來(lái)說(shuō)，可以主要看出三個(gè)方面，一方面就是FPGA的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在我們大部分的同學(xué)老師，實(shí)際上沒(méi)有接觸這個(gè)方面，基本上就是直接拿Xilinx或Altera的FPGA來(lái)用。

　　第二方面，一旦你的FPGA的結(jié)構(gòu)有了改變，那么原來(lái)的這些軟件也就不能再用了，你必須要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件來(lái)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(kāi)發(fā)。

　　第三方面，才是FPGA對(duì)一些特定應(yīng)用的解決方案。

　　大部分的學(xué)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(kāi)發(fā)工具，來(lái)開(kāi)發(fā)一些應(yīng)用。所以目前來(lái)說(shuō)，應(yīng)該還沒(méi)有到研究的地步。但是真正要做FPGA的研究的話，就應(yīng)該是把注意力放在第一、二方面。

　　問(wèn)：關(guān)于基礎(chǔ)研究，既然Xilinx等公司已經(jīng)把FPGA芯片做好了，我們?yōu)楹芜€會(huì)怎么改變他的結(jié)構(gòu)呢?

　　答：研究和工業(yè)是兩個(gè)不同的方面。從學(xué)校的角度來(lái)說(shuō)，假設(shè)我做研究，我不會(huì)去拿Xilinx的芯片來(lái)做我的研究，我會(huì)怎么做呢?我會(huì)開(kāi)發(fā)一個(gè)軟件，他會(huì)描述這個(gè)FPGA硬件，可以這么說(shuō)，就是相當(dāng)于一個(gè)虛擬Model(模型)，就是你有一個(gè)軟件，我來(lái)描述這個(gè)FPGA的結(jié)構(gòu)是什么樣的。如此，你就可以隨意描述你的FPGA結(jié)構(gòu)是什么樣的，就是我并沒(méi)有把它做出來(lái)，但是我是用軟件模型來(lái)描述FPGA應(yīng)該是什么樣，這是第一步。

　　第二步，對(duì)這個(gè)模型，我要開(kāi)發(fā)我的算法軟件，我會(huì)把我的一些應(yīng)用map上去，那么我通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)來(lái)看，我原來(lái)這個(gè)map FPGA，我能夠獲得的性能、面積和功耗。當(dāng)我改進(jìn)我的結(jié)構(gòu)和算法以后，我把同樣的應(yīng)用安到新結(jié)構(gòu)上去，它是不是達(dá)到了我原來(lái)設(shè)想的要優(yōu)化的指標(biāo)，并做出bench mark，這就是做結(jié)構(gòu)方面的研究。

　　所以通常來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA的結(jié)構(gòu)和算法是兩個(gè)互相緊密相關(guān)的。

　　如何學(xué)習(xí)FPGA問(wèn)：您認(rèn)為目前市面上的FPGA開(kāi)發(fā)版、教材和書籍是否足夠?

　　答：應(yīng)該說(shuō)數(shù)量是非常多的，但是從質(zhì)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(jiǎn)單的應(yīng)用，可能從基本的FPGA工作原理，以及它到底在這個(gè)結(jié)構(gòu)或者算法方面有些什么最新的發(fā)展，存在的問(wèn)題以及目前國(guó)際上大概是個(gè)什么樣的情況。但在研究方面的介紹相對(duì)會(huì)少。

　　問(wèn)：但是研究FPGA有什么用呢?因?yàn)槲覀冇X(jué)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(chǎn)業(yè)嗎?

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

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

　　答：因?yàn)檠芯亢彤a(chǎn)業(yè)本來(lái)就是兩回事，你如果要是能把你的研究跟你的產(chǎn)業(yè)結(jié)合起來(lái)那就更好了。

　　但是不是說(shuō)你不發(fā)展這個(gè)產(chǎn)業(yè)就不需要做這方面的研究。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，芯片的制造成本越來(lái)越高，未來(lái)更多的應(yīng)用會(huì)慢慢地轉(zhuǎn)移到FPGA平臺(tái)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(guó)家戰(zhàn)略上怎么考慮。

　　FPGA教學(xué)問(wèn)：目前FPGA教學(xué)還有哪些問(wèn)題呢?

　　答：對(duì)于學(xué)校來(lái)說(shuō)，整個(gè)教材體系相對(duì)比較穩(wěn)定。你要做一個(gè)比較大的教材改變，通常需要學(xué)校下一個(gè)比較大的決心的。所以FPGA推廣到教學(xué)的阻力主要在這個(gè)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(jié)合。因?yàn)镕PGA的發(fā)展非常快。例如，原來(lái)FPGA里面是純邏輯，跟原來(lái)的數(shù)字教學(xué)很容易結(jié)合;但是現(xiàn)在FPGA里面又把處理器加進(jìn)來(lái)，就變成一個(gè)很大的系統(tǒng)，整個(gè)的教學(xué)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(shí)就需要一個(gè)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(gè)共同的平臺(tái)，在不同課里面我側(cè)重某一個(gè)點(diǎn)，可能在高年級(jí)一門課再把它們集成。這樣的一種方法，可把難度分散。同時(shí)又有完整綜合的機(jī)會(huì)。

　　問(wèn)：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?yàn)楝F(xiàn)在這個(gè)Zynq它上面就是說(shuō)它的平臺(tái)的話呢，實(shí)際上之前就有了，就是他從這個(gè)抽象層次來(lái)說(shuō)，它就是一個(gè)軟件硬件的一個(gè)可以編程的平臺(tái)。只是說(shuō)現(xiàn)在我們把它從原來(lái)的這個(gè)MicroBlaze或者PowerPC轉(zhuǎn)成ARM核，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，它并不是一個(gè)完全大的改變，只是說(shuō)里面換了處理器核。對(duì)某些工程師來(lái)說(shuō)，可能它更簡(jiǎn)單了，因?yàn)槿绻熬褪窃贏RM平臺(tái)上面工作的，現(xiàn)在反而對(duì)他來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單。

　　他的難度主要是，要看這個(gè)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(gè)ARM部分，如果他以前是軟件工程師，他可能就會(huì)感覺(jué)難度小一點(diǎn)。

　　總的來(lái)說(shuō)，因?yàn)楝F(xiàn)在這個(gè)平臺(tái)太大，要求一個(gè)工程師有硬件、軟件方面的能力都很強(qiáng)，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(gè)方面的經(jīng)歷。

　　問(wèn)：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(méi)有很多收發(fā)器。現(xiàn)在芯片容量加大了，那么Xilinx當(dāng)然為了使用者的方便，會(huì)把更多更多的IP 核加進(jìn)來(lái)。之前是存儲(chǔ)器塊，后來(lái)處理器、DSP等都有了，現(xiàn)在加了收發(fā)器、ADC?，F(xiàn)在可能唯一少的一個(gè)就是RF這部分。如果RF加了，這個(gè)芯片就是很完整的一個(gè)終端。

　　問(wèn)：Xilinx的FPGA和Altera有什么區(qū)別?或者對(duì)于FPGA教學(xué)，應(yīng)該是兩個(gè)都教，還是學(xué)一個(gè)就可以了?

　　答：它的關(guān)系好像VHDL跟Verilog的關(guān)系。

　　從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，VHDL能做的，Verilog也能做。但是他們主要是一個(gè)非技術(shù)的劃分。像VHDL的主要引擎是歐洲公司里用得多，Verilog在美國(guó)公司里面用得較多。但是現(xiàn)在慢慢的話，這個(gè)界限也越來(lái)越模糊了。因?yàn)榭偟膩?lái)說(shuō)，如果要是一個(gè)大的系統(tǒng)的話，通常你會(huì)要用很多的IP核。對(duì)于IP核，有的公司是Verilog，有的是VHDL，這沒(méi)關(guān)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(shù)上來(lái)說(shuō)，兩家主要是拼市場(chǎng)、拼支持。

　　或者看誰(shuí)更用功。如果誰(shuí)把這個(gè)新的用戶抓住了，他就抓住了一個(gè)可持續(xù)性的市場(chǎng)。因?yàn)橐患夜疽坏Q定用你的產(chǎn)品，除非出現(xiàn)了非常大的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)這家公司不會(huì)輕易的轉(zhuǎn)換平臺(tái)。比如有一個(gè)功能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響非常大，你的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有了，你還沒(méi)有，這個(gè)Gap會(huì)比較大，那時(shí)候別家就會(huì)入選。一旦被他搶過(guò)去以后就很難回來(lái)了。因?yàn)楣I(yè)界的產(chǎn)品的發(fā)展不像研究，很少會(huì)做一個(gè)嶄新的產(chǎn)品。工業(yè)界的產(chǎn)品一般都有一定的延續(xù)性，是一步一步地上去，任何一個(gè)突變，對(duì)他來(lái)說(shuō)都有風(fēng)險(xiǎn)，所以他會(huì)避免。

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