详解FPGA：人工智能时代的驱动引擎石侃有限公司计算机与互 pdf下载

前言

2011年，我正式踏入学术界，从事和FPGA相关的学术研究，2015入工业界，继续做FPGA的工程研发工作。直到今天，已入行十年时间了。

在这十年间，我亲眼见证了FPGA这个特殊的半导体芯片是如何在人工智能时代取得飞速发展的。除了它的传统应用领域之外，FPGA在云数据中心、人工智能、高速网络处理、金融科技、数字等多个行业里又开辟了很多崭新的应用，并逐步成为了这些领域中不可或缺的关键单元。在这场不为大多数人所知的技术变革里，我也有幸参与其中，并且完成了一些关键工程项目的研发工作。

我们既要低头拉车，又应抬头看路。一直以来，我都在寻找这样一类书籍——能对FPGA技术本身及其未来的发行探讨和总结。因为这能帮助大家明确一些很重要的“动机”，例如为什么要学GA，从事这个行业的前景怎样。更重要的是，如何通过分析FPGA的发展历史和现状，来分析和解答前面的这些问题，并且得到一个比较完整的思维方式和体系。我相信，很多学GA或者从事FPGA行业的朋友也在寻找这些问题的答案。

很可惜，当前市面上的绝大多数关于FPGA的书籍，讲的都是FPGA具体的开发方法、流程和经验，侧大部分是针对“怎么学”或者“怎么用”，而非“为什么学”或者“为什么用”。

事实上，FPGA的广泛应用来说，它早已不单是一项技术或者产品，更代表着一种理念。是摩尔定律已近黄昏的当下，以FPGA为代表的异构计算技术不断兴起，更是成为了延续摩尔定律发展的重要力量。因此，信息化技术对各行各业的重大提升，与FPGA的助推直接相关。正是它们在新领域以新形式的结合，深刻改变了FPGA的地位和作用，FPGA所面临的的发展机遇，让业界对其体系、架能等许多方面提出了变革与发展的新要求。这也需要我们以全新的视角去重新认识和看待FPGA。

由此，我便产生了撰写本书的想法，希望在书中以通俗易懂的语言，分析和梳理以下几点内容： ，FPGA在大数据和人工智能时代的新应用，以及它们的主要技术特点； 第二，FPGA开发的新方法和新手段； 第三，FPGA发展的历史、现状，以及FPGA技术发展的新趋势和未来的发展方向。像前面提到的，我并不想借由此书教给读者FPGA具体的开发方法，而是希望在大家抬头看路时，还能有一些可以参考的路标和方向。

在本书的写作过程中，我也尽力平衡技术的广度和深度。本书的读者并不局限于专业的FPGA从业者或学还可以是学界、企业界和社会中的非专业人员和技术爱好者。希望不同层次、不同经验、不同背景，但对FPGA技术有兴趣和追求的读者朋友都能从本书中获益，并且借由此书，为他们自己的相关工程实践与学术研究提供借鉴和启发。由于笔者的水平和能力有限，本书难免存在错误和疏漏，欢迎各位读者批评指正。

本书付梓之际，我想感谢清华大学出版社的杨迪娜编辑，她在我写作和出版过程中给出了很多重要的建议和帮助。感谢北京航空航天大学的退休教授夏宇闻老师和中科院计算所研究员，副所云岗老师，在百忙之中为本书作序，也感谢摩尔精英的CEO张竞扬先生、英特尔中国创新中心张瑞先生、西南交通大学的邸志雄老师、电子科技大学的黄乐天老师为本书做推介。我还想感谢“老石谈芯”的所有读者和观众，他们的支持、鼓励和反馈，让我不断提升自己，并且写出了书中的这些内容。，我想感谢我的家人括我的父母、岳父母，是我的妻子和儿子，他们无私的爱容，让我成为更好的人。

本书献给我的外公，他教给了我“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”的治学境界。愿他在天国一切安好。

20世纪60年代巾期，英特尔公司的创始人之一，时任仙童半导体T程师的戈登·摩尔在《电子学》杂志发表了一篇论文，他在这篇论文中指出，芯片』：晶体管的密度会每年提升一倍。在1975年，一步修改了这个规律，将晶体管翻倍的周期由每年改为每两年，这个规律在后来被人们称为“摩尔定律”。如同摩尔定律预测的那样，在过去的50年巾，每隔一年半到两年，芯片内晶体管的密度都会翻倍，形成指数级的增长。同时．芯片的性能也随之取得指数级的增长，使用晶体管电行计算的成耗也都在这5O年间呈现指数级的下降。摩尔定律见证了半导体与集成电路技术的突破性发展，而这也是驱动人类社会和现代文明在这半个世纪里飞速的根本动力。

FPGA的发展，一直符合摩尔定律的描述。自1984年FPGA面世今．FPGA的容量增长超过l万倍、运行速度增长超过100倍，同时其成耗均降低并超过1000倍。这些发展一方于半导造工艺的不步，另一方面，FPGA本身也在不断创造和设计新颖的芯片架构和系统．以不断延续这样的指数级发展轨迹。

随着半导体工艺突破10nm节点．并继续不断向原子极限，芯片架构设计的思路和方法也要随之不断更新和变革。对于FPGA来说，它的架构在未来应该如何继续发展．已经成为工业界和学术界一直在探讨的重要课题。那么，FPGA究竟是什／a?-g从发明今经历了哪些发展阶段?它的未来发展阶段在何处?FPGA能否继续跟随摩尔定律的发展脚步?需要何种技术才能继续支撑摩尔定律的延续?接下来，请跟随笔者的文字，在本章中寻找和探讨这些问题的答案。

1. pan style="font-family:宋体">什么是FPGA

FPGA的英文全称是Field Programmable Gate A rray．翻译-成中文则是“现场可编程门阵列”。初听起来，这个名字的确有些拗VI。从FPGA的本质上看，它实际上是半导体芯片的一种。从这个意义上讲．它和我们更加熟悉的中央处理器CPU，或者图形处理器GPU等芯片并无二致。

颐名思义，从FPGA的名字上能体现出它的三个主要的特点：门阵列、可编程、现场。

首先，FPGA芯片由大量的逻辑门阵列组成。我们知道，逻辑门是数字电路的基本组成单元，它们基于‘‘布尔代数”对制数0和l变成pan>，或者把pan>变成0；把一个0和一个pan>：把一个0和一个pan>。在图1-pan>中，列举了一些常见逻辑门的电路符号．

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