FPGA設計如何最優化

這是筆者去年某個時間節點的感悟，由于工作繁忙，寫完后擱置一邊了。而對于“設計最優化”這個議題，筆者也一直深感功力不夠，不敢多做闡釋。但是，不管怎樣，若能每隔幾年都好好做些反思回顧，讓自己對“設計最優化”的認知再做一些提升，也算是給當下的自己一個“設計最優化”吧?；诖?，把去年的文章略作梳理，分享給大家。

之所以想寫點什么，是基于近期的一些工作觸動。兩年前，由于公司人力資源的需要，筆者從當時基本穩定的FPGA設計中抽出身來，大部分的精力投入到了產品的算法開發中。而在那個當兒，正好做了一個算法的FPGA實現評估，整個設計，包括代碼、仿真基本做完了。在當時，目標是用有限的FPGA資源實現一個復雜的圖像處理算法，可以說是絞盡腦汁做了很多實際的FPGA設計優化。

時過境遷，經過兩年算法的學習研究和工程實踐后，基于系統最優化的一些考慮，又重新回到原點，需要再次評估和實現當年那個圖像處理算法的FPGA版本。而當重新審查當年的那些設計代碼時，忽然感受到當時一些設計細節做得尤為精妙，雖然大多數方法其實是一些經典的通用的優化方法——用加法和流水線設計減少乘法器數量；用移位比較以及流水線的方式定制化一個資源占用率極低的除法器；用查找表實現指數運算；甚至嘗試過自己實現開根號的邏輯源碼……當然，我并不是覺得這些設計已經登峰造極，做到設計最佳了。反而，讓我重新思考FPGA的設計最優化問題。做算法的經歷，讓我感受到了CPU的強大算力；但是一些實時應用場景下，又讓我感受到了CPU在面對一個復雜和大計算量的算法時的力不從心。做FPGA的經歷，讓我即便是在寫著跑在CPU上的代碼，也處心積慮的考慮速度性能問題——能用加法或移位就絕不用乘法、能用乘法就絕不用除法、能查表的就絕不直接進行指數或根號等復雜的運算……總而言之，不做一次多余的或不必要的復雜的運算。

對于FPGA的工程實現而言，設計本身并沒有絕對的最優化。對于一些沒有實用性要求的研究或評估，對于FPGA的器件資源、實時的速度性能或許不會太在意。但是對于必須產品化的工程實現來說，目標通常是在FPGA器件的資源有限制、吞吐量有要求的情況下完成既定功能。FPGA的資源，通常包括FPGA內部的邏輯資源、乘法器資源、片內存儲器資源、布局布線資源以及其它諸如時鐘、高速接口等專用資源。FPGA的數據吞吐量，通常表現為FPGA在單位時間內的平均處理能力或瞬時最大處理能力，這可能涉及FPGA片內或片外存儲器的讀寫訪問速度、滿足必須的并行運算處理所需的資源可用性、達到設計目標的最低FPGA時鐘頻率的時序性能等。

由此看來，FPGA的設計最優化，并不意味著最高的絕對精度、最快的處理速度或最大的數據吞吐量，也不意味著最高的資源利用率或最低的實現資源……純粹的研究或評估，或許可以只關注某一方面的最佳性能；但對于FPGA的產品實現而言，在眾多的限制條件下，各方面性能達到一個動態平衡，讓我們的目標FPGA器件物盡其用，或許才是我們這些務實的工程師所追求的“最優化設計”。
責任編輯：彭菁