半導體特征循環(huán)與可重構芯片

　　3 特征循環(huán)與可重構芯片

　　“用”與”造”的對立統(tǒng)一律是包括可重構技術在內的硅產業(yè)發(fā)展的一個主線索。目前，應用需求推動SoC 市場產值正在以頗高的速度增長。在這種發(fā)展背景下，至少突出了兩對難以逾越的、規(guī)律性的矛盾：其一是大家所熟知的“產品復雜度日益上升”與“產品價格日益下降”的矛盾；其二是正在逐漸被大家所感知著的矛盾，即在“個性化”要求這個永恒“定律”的發(fā)展中，出現(xiàn)了“應用市場日益分散”與“產品開發(fā)費用日益增大”的矛盾。面對這兩個矛盾，需要對產品體系結構及其設計方法進行革命性的改造，力爭把“定制”與“大規(guī)模生產”兩個相互矛盾的事物協(xié)調起來，實現(xiàn)“大規(guī)模定制生產” （Mass Customization）。可重構技術能夠滿足這一要求，因此在半導體產品中采用可重構技術是符合發(fā)展潮流的。
　
　　產品特征循環(huán)(圖2)共歷三個專用和四個通用波動。十分有意義的是，從中我們看到了辯證思維的足跡。首先，三個專用波動的主流產品分別是分類應用的 ASSP、為某個應用定制的ASIC 和制造后可在一定應用領域再定義的ASPP，ASPP 是ASSP 的螺旋“復歸”。其次，前三個通用波動期的主流產品分別是功能單一的半導體分立器件(Tr)、通過順序指令存儲編程達到通用的微處理器(MPU)和通過硬布線編程達到通用目的現(xiàn)場可編程器件(FPGA)。

　　從MPU 的“軟”編程到FPGA 的“硬”編程看，一個邏輯的發(fā)展應是“硬”、“軟”均可編程，即算法可編程、可重構器件也可編程的U-SoC。從另一個角度看，產品特征循環(huán)還歷經(jīng)了三個半循環(huán)，我們進一步討論其最終將過渡到U-SoC 的演變規(guī)律。

　　第一個通用與專用循環(huán)(1958-1978)的主流應用產品是Tr和中小規(guī)模ASSP。其特點是純硬件設計，即用構筑特定物理空間的方法來實現(xiàn)既定算法。第二個循環(huán)(1978-1998)的主流產品是MPU以及為提高MPU(如加速部件)信息系統(tǒng)性能的ASIC。其根本特點是基于順序存儲的軟件編程，即通過指令在時間上的順序執(zhí)行來實現(xiàn)既定算法。在這一時期內，基于馮·諾依曼架構的計算機及其 相應軟件迅猛發(fā)展，形成了歷史上獨特的Wintel聯(lián)盟及其長期壟斷格局，使集成電路和軟件成了信息通信技術(ICT)的支柱產業(yè)。第三個循環(huán)(1998-2018)主流產品是FPGA和由此推動發(fā)展中的嵌入式可編程soc之類的ASPP。其特點是將在時間上的順序指令編程以及在空間上的器件重構融合在一起來實現(xiàn)既定算法。這大大提高了傳統(tǒng)軟件的運行效率，提高了信息系統(tǒng)的性能，從而使集成電路設計步入軟件設計[11]階段。第四個循環(huán)的上半個周期(2018-2028)則將在上一循環(huán)的發(fā)展與演變中，通過繼承、創(chuàng)新已有成果，逐步完善物理空間可重構的算法與實現(xiàn)方式，成為對第一個循環(huán)的“復歸”，螺旋上升到可自主動態(tài)重構的低功耗、高效率、低成本的配置流（Configuration Stream）系統(tǒng)結構。從而過渡到我們早先提出的MFIC或稍后更名的U-SoC為特征的通用波動。

　　上述種種分析表明，可重構芯片的涌現(xiàn)符合半導體特征循環(huán)規(guī)律，它發(fā)展成為未來的主流產品有其內在的必然性。下面重點談談可重構計算的現(xiàn)狀和存在的問題。

　　3.1 可重構計算

　　早在1963 年Estrin就在文獻[12]中提出了可重構計算（RC, Reconfigurable Computing）的概念，但是直到20 世紀80 年代中期RC才隨著FPGA技術的逐漸成熟而重新成為研究熱點?？芍貥嬘嬎阋辉~是指集成了某種形式可編程硬件的系統(tǒng)，該可編程硬件的功能可以通過一系列定時變化的物理控制點來定義。這是目前在學術研究中被普遍使用的一種描述。

　　首先，作為一個完整的系統(tǒng)，可重構計算的研究范疇不但要涉及系統(tǒng)結構、器件構成（可以稱之為“類硬件” ，其配置內容可以稱為“配件”，它們共同代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件），還包括“配件”及“配件”的調度碼（可以認為是軟件），研究如何生成高效的“配件”以及如何調度“配件”來完成計算的可重構設計方法學也是值得研究的重點。其次，作為體現(xiàn)可重構特性的關鍵，改變或者配置可重構器件的功能可以通過兩種方式實現(xiàn)：一種是重構互連資源，比如可以采取傳輸門方式或多路選擇器方式；另一種是重構處理單元，比如可以采取算數(shù)邏輯單元（ALU）、查找表（LUT）和多路選擇器（MUX）等方式。目前，大多數(shù)的可重構器件中的物理控制點或編程位是連接到SRAM 的，并通過編程SRAM來配置可重構器件，即所謂的基于SRAM 編程。

　　可重構計算是一種嶄新的基于配置流的計算方式。馮·諾依曼機器順序執(zhí)行指令的控制流方式限制了最大限度地發(fā)掘計算的并行性，在數(shù)據(jù)流計算機的發(fā)展逐漸式微的趨勢下，可重構計算有望承擔起突破順序指令對開發(fā)并行性制約的重任。數(shù)據(jù)路徑（“類硬件”，通常組織為陣列形式）的任意重構性是可重構計算這種求算方式的立足點，“類硬件”的可變性能夠去除傳統(tǒng)算法對硬件的依賴性，允許算法使用數(shù)據(jù)路徑中任意可得到的處理單元求算，從而破除受硬件限制而產生的指令順序性，更大限度地開發(fā)計算并行性。

　　3.2 可重構計算的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

　　根據(jù)可重構處理單元數(shù)據(jù)路徑的位寬，可重構系統(tǒng)可以分為粗顆粒度（Coarse-Grained）和細顆粒度（Fine-Grained）兩大類。粗顆粒度結構在靈活性上比細顆粒度結構（如FPGA）要差一些，但是粗顆粒度有以下優(yōu)點：只需要較少的配置數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)以字而不是以位為單位在布線資源上傳輸，因此只需要較少的控制信號。這些優(yōu)點使得快速加載配置數(shù)據(jù)成為可能，從而能夠支持動態(tài)可重構。

　　從可重構系統(tǒng)的基本執(zhí)行模型上來看，可以根據(jù)配置動作發(fā)生的時間分為編譯時（Compile-time）和運行時（Run-time）可重構，也可以叫靜態(tài)和動態(tài)可重構。前者采用靜態(tài)實現(xiàn)方法，每個應用程序只包括一段配置內容，每次程序執(zhí)行只配置一次；相反，后者采用一種動態(tài)的實現(xiàn)方法，每個應用程序包括多個配置內容，程序執(zhí)行一次要進行多次配置操作。當單次配置不足以重構整個可重構器件或者只需要配置全部可重構器件中的一部分時，可以采用部分可重構（Partial- Reconfigurable）策略，部分可重構屬于運行時可重構。而流水線可重構（Pipeline Reconfigurable）與部分可重構很相似，只是其配置操作以流水線分段為單位，一次配置一個或者多個流水線段所需要的硬件。

　　雖然有關可重構計算的研究得到了越來越多的重視，學術界和產業(yè)界也都在探索中研制出了各種可重構系統(tǒng)，但仍然有若干問題等待解決。目前可重構器件的規(guī)模已經(jīng)可以達到百萬門級，但可重構計算的應用仍然有限，不是應用在某些特殊領域（面向有限算法集）就是作為ASIC 的快速原型以爭取上市時間。導致這種局面的主要原因在于缺乏統(tǒng)一的計算模型（包括理論模型和物理模型）。沒有統(tǒng)一的可重構計算模型就使得應用受資源容量固定的限制并且軟硬件不能向上兼容。 這會縮短軟件和硬件的生命周期，造成巨大浪費，并且難于利用因微電子技術進步而帶來的更多可重構資源，最終會限制可重構計算的廣泛應用。

　　因此，人們一直在積極尋找合理的可重構計算模型，或者模型的某一方面特性。比如，針對系統(tǒng)受資源容量固定限制的問題，有人提出了虛擬硬件（Virtual Hardware）的概念，即通過分時復用可重構器件而達到用有限硬件資源實現(xiàn)無限算法資源需求的目的。虛擬硬件體現(xiàn)為運行時可重構技術，也是其基本出發(fā)點。

　　但是運行時可重構方式又帶來若干問題。首先，配置和執(zhí)行之間為串行操作，配置引起的延遲會加入整個運算時間。其次，在器件重新配置之前必須保存上次運算的中間結果，這不僅需要額外的存儲器，訪問存儲器的時間開銷也較大。為此有人又提出了采用增量可重構技術的流水線可重構，它通過增量重構（Incremental Reconfiguration）達到配置與執(zhí)行并行操作的目的，同時也不需要額外的存儲器來保存中間結果。

　　到目前為止，大部分可重構系統(tǒng)都面向具有局部相關關系的線性遞推運算（計算密集型應用）。這一類應用的共同特點是同一算法的大量運算步之間具有很大結構相似性，這樣在運行時對可重構器件進行全部重構就顯得沒有必要，同時多余的重構操作還會帶來額外的功率消耗。因此，引入部分可重構技術對減少配置時間和降低配置功耗也都有積極意義。

　　3.3 可重構產品的未來

　　由于傳統(tǒng)計算模式的深入人心以及任何新事物都要在繼承的基礎上創(chuàng)新和發(fā)展，當前可重構計算的研究普遍集中在馮·諾依曼計算機與“類硬件”集成的混合式（Hybrid）模式上（或者說是基于指令流與基于配置流的混合計算模式），不過我們相信，隨著時間的推移，混合式結構終將完成向完全脫離主機干涉的自主式可重構（ Self Reconfigurable）結構過渡，從而完成對半導體特征循環(huán)中第一個循環(huán)的螺旋式“復歸”，屆時的主流半導體產品將以基于配置流的U-soc 為特征。

　　實際上，大多數(shù)預先配置好的電路都浪費了大部分時間等待使用，而自主式可重構能顯著減少這種浪費。電路能夠在瞬間決定使用哪個配置內容更合適，然后自己去選擇相應的內容。這就需要非傳統(tǒng)的電路結構和編程技術，但是在某些情況下由此帶來的效率和性能的提高卻是極大的。

　　自主式可重構的概念建立在動態(tài)可重構之上，如果在多現(xiàn)場（Multicontext）動態(tài)可重構中，電路自身可以選擇某一預設的配置內容，則這就是一種簡單形式的自主式可重構。更進一步的形式是重構邏輯陣列的輸出能夠隨機訪問配置存儲器并重寫配置內容。這種自我編程的能力提高了電路的利用率，使得基于配置流動態(tài)構建整個機器成為現(xiàn)實，但同時也意味著“類硬件”自身的高度計算復雜性。這種機器與傳統(tǒng)機器完全不同，需要全新的編程語言和操作系統(tǒng)，因此我們預測產品特征循環(huán)中第七波（通用波動）的時間段為2018-2028 年也就是可以理解的了。

　　4 結論

　　本文介紹了半導體主流產品每十年波動一次的“牧村浪潮”和我們提出的“半導體產品特征循環(huán)”。兩種循環(huán)的思路和提出的時間大致相同。但我們提出的循環(huán)圖比“牧村浪潮”的時間尺度長20年、多兩次波動；其中第六波，牧村先生遲到2001年(或2002 年)才在他1991 年發(fā)表的原浪潮中修正了上去，時間比我們晚十年左右。第七波，牧村先生至今尚未論及，而牧村先生的朋友Hartenstein教授則明確提出在不再有新的波動了。

　　此外，我們還明確看到，“半導體產品特征循環(huán)”不僅啟示了目前正在高速發(fā)展中的可重構技術，而且還將繼續(xù)預示著半導體技術的發(fā)展走向：在嵌入式ASPP 技術發(fā)展中，推動可重構計算系統(tǒng)結構的演化及其嶄新設計工具的產生，從而促進Designless 商業(yè)模式的蓬勃興起。

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