這是筆者去年某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的感悟，由于工作繁忙，寫完后擱置一邊了。而對于“設(shè)計(jì)最優(yōu)化”這個(gè)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(shè)計(jì)最優(yōu)化”的認(rèn)知再做一些提升，也算是給當(dāng)下的自己一個(gè)“設(shè)計(jì)最優(yōu)化”吧。基于此，把去年的文章略作梳理，分享給大家。

之所以想寫點(diǎn)什么，是基于近期的一些工作觸動(dòng)。兩年前，由于公司人力資源的需要，筆者從當(dāng)時(shí)基本穩(wěn)定的FPGA設(shè)計(jì)中抽出身來，大部分的精力投入到了產(chǎn)品的算法開發(fā)中。而在那個(gè)當(dāng)兒，正好做了一個(gè)算法的FPGA實(shí)現(xiàn)評估，整個(gè)設(shè)計(jì)，包括代碼、仿真基本做完了。在當(dāng)時(shí)，目標(biāo)是用有限的FPGA資源實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的圖像處理算法，可以說是絞盡腦汁做了很多實(shí)際的FPGA設(shè)計(jì)優(yōu)化。

時(shí)過境遷，經(jīng)過兩年算法的學(xué)習(xí)研究和工程實(shí)踐后，基于系統(tǒng)最優(yōu)化的一些考慮，又重新回到原點(diǎn)，需要再次評估和實(shí)現(xiàn)當(dāng)年那個(gè)圖像處理算法的FPGA版本。而當(dāng)重新審查當(dāng)年的那些設(shè)計(jì)代碼時(shí)，忽然感受到當(dāng)時(shí)一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)做得尤為精妙，雖然大多數(shù)方法其實(shí)是一些經(jīng)典的通用的優(yōu)化方法——用加法和流水線設(shè)計(jì)減少乘法器數(shù)量；用移位比較以及流水線的方式定制化一個(gè)資源占用率極低的除法器；用查找表實(shí)現(xiàn)指數(shù)運(yùn)算；甚至嘗試過自己實(shí)現(xiàn)開根號(hào)的邏輯源碼……當(dāng)然，我并不是覺得這些設(shè)計(jì)已經(jīng)登峰造極，做到設(shè)計(jì)最佳了。反而，讓我重新思考FPGA的設(shè)計(jì)最優(yōu)化問題。做算法的經(jīng)歷，讓我感受到了CPU的強(qiáng)大算力；但是一些實(shí)時(shí)應(yīng)用場景下，又讓我感受到了CPU在面對一個(gè)復(fù)雜和大計(jì)算量的算法時(shí)的力不從心。做FPGA的經(jīng)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(jìn)行指數(shù)或根號(hào)等復(fù)雜的運(yùn)算……總而言之，不做一次多余的或不必要的復(fù)雜的運(yùn)算。

對于FPGA的工程實(shí)現(xiàn)而言，設(shè)計(jì)本身并沒有絕對的最優(yōu)化。對于一些沒有實(shí)用性要求的研究或評估，對于FPGA的器件資源、實(shí)時(shí)的速度性能或許不會(huì)太在意。但是對于必須產(chǎn)品化的工程實(shí)現(xiàn)來說，目標(biāo)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(nèi)部的邏輯資源、乘法器資源、片內(nèi)存儲(chǔ)器資源、布局布線資源以及其它諸如時(shí)鐘、高速接口等專用資源。FPGA的數(shù)據(jù)吞吐量，通常表現(xiàn)為FPGA在單位時(shí)間內(nèi)的平均處理能力或瞬時(shí)最大處理能力，這可能涉及FPGA片內(nèi)或片外存儲(chǔ)器的讀寫訪問速度、滿足必須的并行運(yùn)算處理所需的資源可用性、達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的最低FPGA時(shí)鐘頻率的時(shí)序性能等。

由此看來，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)最優(yōu)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(shù)據(jù)吞吐量，也不意味著最高的資源利用率或最低的實(shí)現(xiàn)資源……純粹的研究或評估，或許可以只關(guān)注某一方面的最佳性能；但對于FPGA的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)而言，在眾多的限制條件下，各方面性能達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，讓我們的目標(biāo)FPGA器件物盡其用，或許才是我們這些務(wù)實(shí)的工程師所追求的“最優(yōu)化設(shè)計(jì)”。
責(zé)任編輯：彭菁