詳解FPGA：人工智能時代的驅動引擎（簡體書）

前言

2011年，我正式踏入學術界，從事和FPGA相關的學術研究，2015年進入工業界，繼續做FPGA的工程研發工作。直到今天，已入行十年時間了。

在這十年間，我親眼見證了FPGA這個特殊的半導體芯片是如何在人工智能時代取得飛速發展的。除了它的傳統應用領域之外，FPGA在云數據中心、人工智能、高速網絡處理、金融科技、數字醫療等多個行業裡又開辟了很多嶄新的應用，並逐步成為了這些領域中不可或缺的關鍵單元。在這場不為大多數人所知的技術變革裡，我也有幸參與其中，並且完成了一些關鍵工程項目的研發工作。

我們既要低頭拉車，又應抬頭看路。一直以來，我都在尋找這樣一類書籍——能對FPGA技術本身及其未來的發展進行探討和總結。因為這能幫助大家明確一些很重要的“動機”，例如為什麼要學習FPGA，從事這個行業的前景怎樣。更重要的是，如何通過分析FPGA的發展歷史和現狀，來分析和解答前面的這些問題，並且得到一個比較完整的思維方式和體系。我相信，很多學習FPGA或者從事FPGA行業的朋友也在尋找這些問題的答案。

很可惜，當前市面上的絕大多數關於FPGA的書籍，講的都是FPGA具體的開發方法、流程和經驗，側重點大部分是針對“怎麼學”或者“怎麼用”，而非“為什麼學”或者“為什麼用”。

事實上，就FPGA的廣泛應用來說，它早已不單是一項技術或者產品，更代表著一種理念。特別是摩爾定律已近黃昏的當下，以FPGA為代表的異構計算技術不斷興起，更是成為了延續摩爾定律發展的重要力量。因此，信息化技術對各行各業的重大提升，與FPGA的強力助推直接相關。正是它們在新領域以新形式的結合，深刻改變了FPGA的地位和作用，FPGA所面臨的前所未有的發展機遇，讓業界對其體系、架構、功能等許多方面提出了變革與發展的新要求。這也需要我們以全新的視角去重新認識和看待FPGA。

由此，我便產生了撰寫本書的想法，希望在書中以通俗易懂的語言，分析和梳理以下幾點內容： 第一，FPGA在大數據和人工智能時代的新應用，以及它們的主要技術特點； 第二，FPGA開發的新方法和新手段； 第三，FPGA發展的歷史、現狀，以及FPGA技術發展的新趨勢和未來的發展方向。就像前面提到的，我並不想借由此書教給讀者FPGA具體的開發方法，而是希望在大家抬頭看路時，還能有一些可以參考的路標和方向。

在本書的寫作過程中，我也盡力平衡技術的廣度和深度。本書的讀者並不局限於專業的FPGA從業者或學習者，還可以是學界、企業界和社會中的非專業人員和技術愛好者。希望不同層次、不同經驗、不同背景，但對FPGA技術有興趣和追求的讀者朋友都能從本書中獲益，並且借由此書，為他們自己的相關工程實踐與學術研究提供借鑒和啟發。由於筆者的水平和能力有限，本書難免存在錯誤和疏漏，歡迎各位讀者批評指正。

本書付梓之際，我想感謝清華大學出版社的楊迪娜編輯，她在我寫作和出版過程中給出了很多重要的建議和幫助。感謝北京航空航天大學的退休教授夏宇聞老師和中科院計算所研究員，副所長包云崗老師，在百忙之中為本書作序，也感謝摩爾精英的CEO張競揚先生、英特爾中國創新中心總經理張瑞先生、西南交通大學的邸志雄老師、電子科技大學的黃樂天老師為本書做推介。我還想感謝“老石談芯”的所有讀者和觀眾，他們的支持、鼓勵和反饋，讓我不斷提升自己，並且最終寫出了書中的這些內容。最後，我想感謝我的家人，包括我的父母、岳父母，特別是我的妻子和兒子，他們無私的愛與包容，讓我成為更好的人。

本書獻給我的外公，他教給了我“眾裡尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”的治學境界。願他在天國一切安好。

目錄

第1章延續摩爾定律——FPGA的架構革新

1．1什麼是FPGA

1．2從無到有，從小到大，從大到強——FPGA發展的

三個階段

1．2．1發明階段： 歷史的必然

1．2．2擴張階段： 設計自動化的興起

1．2．3累積階段： 復雜片上系統的形成

1．3超越維度的限制——3D FPGA

1．3．1賽靈思堆疊硅片互聯(SSI)技術

1．3．2SSI技術的主要缺點

1．3．3SSI技術小結

1．3．4英特爾EMIB技術

1．3．5基於EMIB技術的異構FPGA的潛在問題

1．3．6EMIB技術小結

1．4突破集成度的邊界——從FPGA到ACAP

1．4．1ACAP概述

1．4．2芯片架構： 在傳統中變革

1．4．3CLB微結構： 翻天覆地

1．4．4第四代SSI技術： 3D FPGA的

進一步優化

1．4．5片上網絡： 高帶寬數據傳輸的全新利器

1．5靈活與敏捷共存——英特爾Agilex FPGA

1．5．1英特爾10nm工藝能否後發制人

1．5．2全新的芯片布局與微架構優化

1．5．3CXL： CPU與FPGA互連的終極方案

1．5．4可變精度DSP： 全力支持AI應用

1．5．5增強版HyperFlex架構

1．5．6oneAPI： 英特爾的雄心

1．6本章小結

第2章擁抱大數據洪流——云中的FPGA

2．1第一個吃螃蟹的人——微軟Catapult項目

2．1．1Catapult項目的產生背景

2．1．2在數據中心裡部署硬件加速單元的

考慮因素

2．1．3幾類硬件加速模塊的對比

2．1．4Catapult項目的三個階段

2．1．5微軟Catapult項目小結

2．2FPGA即服務(FPGA as a Service)

2．2．1亞馬遜AWSF1實例： FPGA云服務的

首次嘗試

2．2．2AWS FPGA云服務的技術概述

2．2．3其他公有云提供商的FPGA加速服務

2．3下一代電信網絡： SDN、NFV與FPGA

2．3．1網絡功能虛擬化(NFV)與軟件定義

網絡(SDN)的意義

2．3．2使用FPGA加速虛擬網絡功能的實現

2．4系統級解決方案： FPGA加速卡

2．4．1FPGA應用方案的轉型

2．4．2英特爾的FPGA加速卡布局

2．4．3賽靈思的FPGA加速卡布局

2．4．4第三方FPGA加速卡

2．5虛擬與現實之間——FPGA虛擬化

2．5．1為什麼要進行FPGA虛擬化

2．5．2FPGA虛擬化的主要目標

2．5．3FPGA虛擬化的層次劃分

2．5．4常見的FPGA虛擬化實現方法

2．5．5FPGA虛擬化的未來研究方向

2．6本章小結

第3章FPGA在人工智能時代的獨特優勢

3．1實時AI處理： 微軟腦波項目

3．1．1FPGA資源池化的主要優點

3．1．2腦波項目系統架構

3．1．3腦波項目的性能分析

3．2AI加速引擎： FPGA與深度神經網絡的近似

算法

3．2．1使用低精度定點數代替浮點數

3．2．2網絡剪枝

3．2．3深度壓縮

3．3下一個Big Thing： FPGA公司在AI時代的布局

3．3．1賽靈思

3．3．2英特爾

3．3．3Achronix

3．4路在何方： FPGA在AI時代未來的發展方向

3．5本章小結

第4章更簡單也更復雜——FPGA開發的新方法

4．1難上加難： 現代FPGA開發的痛點

4．2讓軟件工程師開發FPGA——高層次綜合

4．2．1FPGA高層次綜合的前世今生

4．2．2高層次綜合的主要工作原理：

以AutoPilot為例

4．2．3高層次綜合工具常用的優化方法

4．2．4高層次綜合的發展前景

4．3商業級開源開發工具： 賽靈思Vitis

4．4一個晶體管也不能少： 英特爾oneAPI

4．5本章小結

第5章站在巨人的肩上——FPGA發展的新趨勢

5．1百花齊放、百家爭鳴： FPGA學術研究概況

5．1．1多倫多大學

5．1．2加州大學洛杉磯分校(UCLA)

5．1．3帝國理工學院

5．1．4清華大學

5．1．5FPGA領域的主要學術會議

5．2FPGA 20年最有影響力的25項研究成果

5．2．1FPGA系統架構篇

5．2．2FPGA微架構篇

5．2．3FPGA布局布線算法篇

5．2．4其他EDA/CAD算法篇

5．2．5FPGA應用篇

5．3這是最好的時代——FPGA未來的發展方向

5．4本章小結