FPGA自誕生起一直在高速?gòu)?fù)雜計(jì)算領(lǐng)域里占有極大的優(yōu)勢(shì)，借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具通過(guò)Verilog編程，設(shè)計(jì)者可以很方便地將一個(gè)通用結(jié)構(gòu)的FPGA芯片構(gòu)造成一個(gè)規(guī)模宏大的并行的計(jì)算結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)能以通用CPU無(wú)法比擬的高速進(jìn)行極其復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。然而，F(xiàn)PGA作為一種硬件可重構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)，在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都被用作ASIC的小批量替代品。
在有實(shí)用價(jià)值的圖像分析、語(yǔ)音理解等模式識(shí)別的處理計(jì)算中，通常需要在幾個(gè)毫秒之內(nèi)對(duì)一幅圖像的所有像素逐點(diǎn)進(jìn)行卷積計(jì)算，分析、比較計(jì)算結(jié)果，得到可靠的結(jié)論。算法研究工作者通常用普通計(jì)算機(jī)的軟件來(lái)處理靜態(tài)數(shù)據(jù)，得到理論結(jié)果，但實(shí)際應(yīng)用中如此慢的響應(yīng)速度根本無(wú)法滿足實(shí)際工程的需求。最近二十多年來(lái)，圖像分析、語(yǔ)音理解等模式識(shí)別研究的算法理論研究已逐步成熟，引起了工業(yè)界的興趣，大量的研究經(jīng)費(fèi)轉(zhuǎn)向如何設(shè)計(jì)可以高速進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的并行計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，并研發(fā)實(shí)用的AI系統(tǒng)。因此近二十多年來(lái)，F(xiàn)PGA芯片和Verilog設(shè)計(jì)/驗(yàn)證方法得到了飛速的發(fā)展。
在圖像處理方面，如人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別方面的機(jī)器人，其AI表現(xiàn)也十分搶眼。 在這一類機(jī)器人的計(jì)算系統(tǒng)中許多極其復(fù)雜的計(jì)算工作，絕大部分都是由FPGA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。而且FPGA可以與各種不同的存儲(chǔ)器、各種不同類型的并行接口或是計(jì)算機(jī)接口，如PCIe等方便地連接，它也可以把機(jī)器人與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和廣大的知識(shí)庫(kù)融為一體，構(gòu)成極其龐大、響應(yīng)迅速的AI知識(shí)系統(tǒng)。
根我所知，許多AI研究工作者習(xí)慣于用軟件進(jìn)行算法研究，他們中的大多數(shù)人用靜態(tài)的圖像或靜態(tài)的聲音（錄下來(lái)的聲音）做語(yǔ)音理解或者翻譯方面的工作。在整個(gè)過(guò)程中，雖然數(shù)據(jù)處理的計(jì)算速度比較慢，但還是可以得到可靠的分析處理結(jié)果。但是在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，這樣慢的處理速度顯然沒(méi)有多大實(shí)用價(jià)值，因?yàn)樵谠S多場(chǎng)合，響應(yīng)根本無(wú)法用于實(shí)際場(chǎng)合。隨著研究工作向設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，我建議軟件系統(tǒng)的工程師們應(yīng)該學(xué)會(huì)如何使用FPGA，以及如何用FPGA做復(fù)雜計(jì)算的加速。其實(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程專業(yè)畢業(yè)的軟件工程師而言，只要有數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)Verilog HDL語(yǔ)言并不困難，學(xué)會(huì)RTL級(jí)別Verilog的編程來(lái)構(gòu)造可綜合的并行迭代計(jì)算結(jié)構(gòu)并不困難，只需要花費(fèi)一兩個(gè)月就能上手。
而對(duì)于那些在嵌入式系統(tǒng)工作多年的硬件工程師或只有一些簡(jiǎn)單接口設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的FPGA工程師而言，雖然不是一個(gè)專職研究處理算法的軟件編程專家，但他們必須抽一些時(shí)間來(lái)理解算法，幫助算法工程師把電路結(jié)構(gòu)改變得更加合理，令計(jì)算瓶頸變成寬敞的通道。在AI時(shí)代，特別是AI進(jìn)入應(yīng)用的新時(shí)代，一個(gè)真正的硬件工程師不僅應(yīng)該熟練掌握Verilog的語(yǔ)言，學(xué)會(huì)如何用Verilog語(yǔ)言編寫可綜合的并行結(jié)構(gòu)，在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)完成算法要求的計(jì)算工作量，并且學(xué)會(huì)如何設(shè)計(jì)硬件，讓硬件與算法軟件配合，更有效率地完成算法要求的多種計(jì)算任務(wù)。把原來(lái)算法研究中完全用軟件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算過(guò)程，變成用軟件和硬件配合實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，把整個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)改造成一個(gè)可配置的高速處理的結(jié)構(gòu)，專門針對(duì)某一領(lǐng)域的人工智能產(chǎn)品，讓這個(gè)硬件有更大的市場(chǎng)，這是非常有意義的！
總而言之，對(duì)今天的AI嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師而言，必須軟硬兼?zhèn)洳拍艹蔀橐粋�(gè)優(yōu)秀的工程師。換言之，軟件人員要往硬件方向轉(zhuǎn)，學(xué)習(xí)硬件知識(shí)，硬件工程師也必須向軟件工程師靠攏，理解算法的執(zhí)行過(guò)程，為AI算法設(shè)計(jì)新的計(jì)算結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通路。這是因?yàn)楝F(xiàn)在AI的軟件編程并不是簡(jiǎn)單地編寫一個(gè)程序得到一個(gè)計(jì)算結(jié)果，還必須考慮計(jì)算的速度是不是足夠夠快。所以實(shí)質(zhì)上是一個(gè)如何設(shè)計(jì)合理的并行結(jié)構(gòu)計(jì)算加速核心硬件，以達(dá)到實(shí)時(shí)全面完成算法要求的問(wèn)題。
轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，F(xiàn)PGA工程師要理解新任務(wù)、掌握新工具。
盡管FPGA在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用處于一個(gè)快速增長(zhǎng)過(guò)程，但總體規(guī)模還不是很大，這里面有一些限制，也是FPGA廠商需要努力提升的地方。 首先是價(jià)格問(wèn)題，F(xiàn)PGA的大規(guī)模部署需要FPGA硬件成本盡快降下來(lái)，這個(gè)要靠工藝進(jìn)步以及市場(chǎng)規(guī)模來(lái)解決；其次是存儲(chǔ)訪問(wèn)帶寬，HBM技術(shù)以及CCIX是代表性的方向。
FPGA需要軟件工具來(lái)輔助工程師完成設(shè)計(jì)過(guò)程，在新的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)υO(shè)計(jì)的內(nèi)容、流程、驗(yàn)證方法等都提出了新的需求，例如AI應(yīng)用客戶希望具備高層次的模型定制能力，但是目前還沒(méi)有廠商可以提供成熟的方案。這也為新的工具提供商提供了機(jī)會(huì)。
GPU獲得了廣泛的認(rèn)同和應(yīng)用，這與CUDA長(zhǎng)期的演進(jìn)和積累密不可分。新興應(yīng)用領(lǐng)域大都有流行的設(shè)計(jì)框架和開源項(xiàng)目。FPGA一般作為高性能計(jì)算硬件來(lái)加速現(xiàn)有項(xiàng)目，所以需要和這類設(shè)計(jì)框架進(jìn)行融合，也需要大量基礎(chǔ)庫(kù)/IP來(lái)支持用戶快速完成設(shè)計(jì)。所以一個(gè)成熟的生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要，目前這塊也還是非常薄弱。
傳統(tǒng)FPGA工程師面對(duì)的是硬件的設(shè)計(jì)問(wèn)題，但AI等應(yīng)用與應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)系密切，不單純是FPGA片上邏輯設(shè)計(jì)的問(wèn)題。工程師往往需要了解上層軟件如何與FPGA片上系統(tǒng)的集成與優(yōu)化問(wèn)題。
FPGA主流廠商很早就開始布局新興市場(chǎng)的應(yīng)用，一個(gè)主要工作就是提升FPGA設(shè)計(jì)開發(fā)抽象層次，OpenCL/HLS語(yǔ)言就是典型代表，一般情況下可以提升數(shù)倍開發(fā)效率。所以FPGA工程師需要充分掌握這類新的工具，以保障自己能有足夠的效率面對(duì)行業(yè)需求。
新興應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅是FPGA市場(chǎng)的簡(jiǎn)單擴(kuò)充，它也為FPGA應(yīng)用帶來(lái)新的商業(yè)模式，以FaaS為代表的應(yīng)用形式，為FPGA開發(fā)人員帶來(lái)眾多新的商業(yè)機(jī)遇。
Achronix的Speedcore IP具有支持先進(jìn)人工智能技術(shù)的正確功能組合。
人工智能（AI）應(yīng)用要求高性能，并且在許多情況下，低延遲能夠成功地響應(yīng)條件和需求的實(shí)時(shí)變化。它們還要求功耗盡可能的低從而意味著無(wú)法使用，其解決方案是將機(jī)器學(xué)習(xí)放在供電和制冷能力充足的云服務(wù)器端。對(duì)這些嵌入式系統(tǒng)的進(jìn)一步要求是，即使在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)連接到云端的情況下也都能隨時(shí)工作并且準(zhǔn)備好做出響應(yīng)。這些因素的組合要求在硬件設(shè)計(jì)方法上做出改變。
人工智能要求謹(jǐn)慎地平衡數(shù)據(jù)通路的 性能、內(nèi)存延遲 和 吞吐量，這就需要用一種方法來(lái)將盡可能多的功能放到專用集成電路（ASIC）或系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）上。通過(guò)添加eFPGA技術(shù)，則提供了市場(chǎng)需要的一種解決方案，來(lái)將靈活性以及客制化邏輯單元支持能力結(jié)合在一起。
作為專為嵌入到SoC和ASIC之中而設(shè)計(jì)的硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP），Achronix的Speedcore eFPGA IP是一種高度靈活的解決方案，它支持高性能機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用中需要的數(shù)據(jù)吞吐量。通過(guò)借助其可切分的架構(gòu)，Speedcore IP為設(shè)計(jì)人員提供了滿足其應(yīng)用要求的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)eFPGA功能的混合和匹配。Speedcore IP的核心功能包括基于四輸入查找表（LUT）的邏輯單元、用于寄存器文件和類似應(yīng)用并面向邏輯單元的小型存儲(chǔ)器（LRAM）、較大的單元塊存儲(chǔ)器（BRAM）和可配置的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）模塊。根據(jù)應(yīng)用的要求，Speedcore基于縱列的架構(gòu)可提供準(zhǔn)確混合資源的能力。
FPGA本身作為一種可編程的邏輯器件，其最突出的特性在于可編程的邏輯部分。這與傳統(tǒng)CPU的順序執(zhí)行方式有著本質(zhì)區(qū)別，與ASIC相比又有著較好的靈活性，在AI產(chǎn)業(yè)興起之前，就一直是ASIC設(shè)計(jì)的前期驗(yàn)證手段。
但是，如今的FPGA器件的發(fā)展已經(jīng)跨越了可編程這個(gè)特性，現(xiàn)在的FPGA器件往往擁有遠(yuǎn)比通用芯片更高的I/O帶寬和內(nèi)存帶寬，例如高達(dá)40Gbps的serdes接口，以及HBM2等超高速內(nèi)存接口，這些接口使得FPGA在通信領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)如今，由于很多AI產(chǎn)品對(duì)內(nèi)存帶寬和互聯(lián)互通性有著相當(dāng)高的要求，在較輕運(yùn)算量的情況下，F(xiàn)PGA的可應(yīng)用場(chǎng)景有了非常大的突破，所以很多小批量、快迭代的產(chǎn)品，其最佳開發(fā)方式反而變成了FPGA，而非ASIC或者GPU等等，因此FPGA開發(fā)人員，只要多熟悉AI技術(shù)、熟悉AI應(yīng)用需求，仍然可以在AI行業(yè)游刃有余，不斷打造新的傳奇。
現(xiàn)在的圖像處理和數(shù)據(jù)的傳輸、分配這些事情在人工智能開發(fā)方面發(fā)揮著重要作用,在AI時(shí)代需要FPGA工程師尤其是做軟件算法和做硬件設(shè)計(jì)的人要優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)好后還要與原來(lái)的計(jì)算機(jī)與服務(wù)器連接在一塊兒，那么還需要做系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。這對(duì)FPGA的軟件工程師、硬件工程師都是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。希望FPGA工程師們成功轉(zhuǎn)型，為AI時(shí)代能設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品助力。
這個(gè)問(wèn)題主要引申為以下兩點(diǎn)：“
FPGA工程師最核心的能力的就是全棧能力。這指的是系統(tǒng)級(jí)的軟硬件全棧能力。它既包括了在系統(tǒng)層面的架構(gòu)設(shè)計(jì)、芯片開發(fā)的前后端流程，也包括了軟件設(shè)計(jì)的全棧流程，甚至還有后期的項(xiàng)目維護(hù)、技術(shù)支持、與客戶的溝通等軟技能。它可以看成是綜合多種技能的技能樹。
我隨手寫了一下 FPGA 工程師的全棧技能樹，見下圖，盡管很不完整，但仍可供大家參考。之前很多人提到的，諸如調(diào)試與分析的能力，其實(shí)是這個(gè)全棧技能樹里的一片樹葉，或一個(gè)分支。
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