從今年開(kāi)始，計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）第20屆FPGA國(guó)際研討會(huì)將舉辦未來(lái)研討：FPGA在20年后會(huì)是什么樣。來(lái)自供應(yīng)商、用戶和學(xué)術(shù)團(tuán)體的各界專家將參加這一活動(dòng)，盡可能對(duì)未來(lái)做出確定性的最終預(yù)言。

　　通過(guò)總結(jié)最佳工程，七名演講人將回顧可編程器件過(guò)去20年的歷史，總結(jié)出趨勢(shì)線，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行推演。專家們將從三個(gè)主要領(lǐng)域?yàn)镕PGA未來(lái)勾畫出草圖：工藝技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)，以及用于對(duì)器件編程的隱喻和工具。

　　工藝技術(shù)

　　微電子技術(shù)過(guò)去二十年的發(fā)展將勾畫出FPGA的未來(lái)。演講人普遍認(rèn)為，到2032年，推動(dòng)這種發(fā)展的主要因素毫無(wú)疑問(wèn)仍然是CMOS的尺度演進(jìn)。

　　Xilinx CTO兼資深副總裁Ivo Bolsens認(rèn)為：“硅片的發(fā)展仍將持續(xù)25年或者30年。在2030之前，我認(rèn)為這一領(lǐng)域不會(huì)有新材料出現(xiàn)?！?/p>

　　Altera CTO兼研發(fā)資深副總裁Misha Burich提出了研討話題，他有相似的觀點(diǎn)，從量子晶體管到DNA，羅列了很多吸引人的技術(shù)，但是，他沒(méi)有打算進(jìn)行深入的討論。他繼續(xù)發(fā)表言論，認(rèn)為Altera的工藝發(fā)展將持續(xù)到2026年以后。Burich評(píng)論說(shuō)：“自此之后，仍然可以使用摩爾定律作為標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

　　那么，摩爾定律底揭示了什么呢？Burich認(rèn)為：“在2032年，我們會(huì)推出1.8-nm工藝，具有3-nm特征尺寸和metal-1間距。這意味著，我們可以在一個(gè)管芯上實(shí)現(xiàn)8千8百70億個(gè)晶體管?！盉urich預(yù)計(jì)，這類FPGA要比今天的器件吞吐量高出250倍。但是，CTO提醒說(shuō)，對(duì)于硅片，3 nm只有13個(gè)原子間隔。即使采用了原子級(jí)工藝控制技術(shù)，與目前很多電路設(shè)計(jì)的容限相比，簡(jiǎn)單的量化舉例，一個(gè)12個(gè)原子長(zhǎng)的溝道和一個(gè)14個(gè)原子長(zhǎng)的溝道，在晶體管上都會(huì)有很大的變化。雖然更小的晶體管速度會(huì)更快，但是互聯(lián)會(huì)非常慢，需要重新審視電路拓?fù)涞膫鹘y(tǒng)觀點(diǎn)，實(shí)際上，這需要突破基于單元的設(shè)計(jì)方法。

　　倫敦皇家學(xué)院電氣和電子工程系主任Peter Cheung在這一問(wèn)題上闡述了一些面臨的實(shí)際困境。Cheung預(yù)言說(shuō)：“如果您想在2032年設(shè)計(jì)一款每個(gè)晶體管都能夠正常工作的芯片，那么，您的產(chǎn)出是零。實(shí)際上，工藝變化會(huì)使得每一個(gè)芯片在物理上都是獨(dú)一無(wú)二的。而且，在制造結(jié)束時(shí)，這種差別仍然會(huì)存在?！?/p>

　　Cheung提醒說(shuō)：“這就帶來(lái)了問(wèn)題。我們已經(jīng)知道，隨著時(shí)間的推移，很多機(jī)制，包括，缺陷電荷、熱載流子效應(yīng)、阻抗提高以及離子擴(kuò)散等，會(huì)明顯的劣化電路。這些效應(yīng)目前對(duì)于芯片的工作影響是不明顯的，但是，在20年內(nèi)會(huì)變得越來(lái)越明顯?！?/p>

　　在某種程度上，Cheung認(rèn)為這是可編程邏輯的一種機(jī)遇。他建議，可編程器件不僅僅是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一種方法，在2032年，每一個(gè)系統(tǒng)級(jí)器件都是可編程的：在運(yùn)行時(shí)，芯片會(huì)將其仍然在運(yùn)轉(zhuǎn)的資源配置到工作系統(tǒng)中。Cheung評(píng)論說(shuō)：“有鑒于此，我們認(rèn)為可重新配置能力會(huì)有新機(jī)遇。它們包括器件專用微調(diào)功能；自測(cè)試、特性測(cè)試和診斷；失效預(yù)測(cè)；進(jìn)行重新配置，從失效中恢復(fù)；避免最差情況下的設(shè)計(jì)；以及隨時(shí)間變化的損耗均衡等，這都延長(zhǎng)了芯片的使用壽命?！?/p>

　　有幾個(gè)演講人還介紹了其他的關(guān)鍵工藝尺度問(wèn)題：片外I/O帶寬并沒(méi)有隨著芯片內(nèi)部性能的提高而增強(qiáng)。Bolsens認(rèn)為：“3D的應(yīng)用會(huì)在一定程度上解決互聯(lián)帶寬問(wèn)題。但是，3D自己也會(huì)帶來(lái)新問(wèn)題。我們會(huì)看到，2.5D越來(lái)越復(fù)雜，包括無(wú)源和內(nèi)插存儲(chǔ)器等，實(shí)際上，快速2.5D并不會(huì)很快消失。全3D仍然還需要十幾年的時(shí)間才能成熟。”

　　而更保守的Burich警告說(shuō)，除了技術(shù)問(wèn)題，3D還面臨很多的業(yè)務(wù)關(guān)系問(wèn)題。他警告說(shuō)：“可能需要十幾年的時(shí)間才能解決這些問(wèn)題?！?/p>

　　體系結(jié)構(gòu)

　　多年以來(lái)，工藝技術(shù)和應(yīng)用需求推動(dòng)了FPGA體系結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)性的變化。以前，工藝還只是專注于小晶體管的數(shù)量，應(yīng)用則專注于膠合邏輯，F(xiàn)PGA大會(huì)在異構(gòu)器件是否優(yōu)于同構(gòu)邏輯單元方面展開(kāi)了激烈的爭(zhēng)論。今天，這方面的爭(zhēng)論看起來(lái)結(jié)束了，但是，演講人指出，實(shí)際并非如此。

　　Burich指出：“今天，F(xiàn)PGA內(nèi)部只有40%是邏輯架構(gòu)。”他解釋說(shuō)，管芯的其他部分包括RAM、算術(shù)硬件、I/O、高速晶體管、協(xié)議引擎，有時(shí)候還有CPU內(nèi)核和總線，以及一些支持電路等。Burich聲稱：“到2032年，所有的芯片都是異構(gòu)的?！睂?shí)際上，他認(rèn)為，大規(guī)模IC體系結(jié)構(gòu)是趨同的。最終，所有的看起來(lái)都是專用芯片系統(tǒng)（SoC），而有些芯片能夠部分重新配置，具有實(shí)質(zhì)性的不同。

　　異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)雖然很成功，但是有一個(gè)值得注意的例外。Bob Blainey是IBM匯編和下一代系統(tǒng)軟件特聘研究員，發(fā)表言論認(rèn)為，他的世界是服務(wù)器計(jì)算，而不是硅片。他描述了未來(lái)，大部分服務(wù)器都內(nèi)置在垂直3D IC管芯堆疊中，服務(wù)器本身只是堆疊的一個(gè)管芯，也會(huì)包括本地存儲(chǔ)器、互聯(lián)和規(guī)模很大的同構(gòu)FPGA。

　　Blainey解釋說(shuō)，這類FPGA將成為服務(wù)器的虛擬資源：一種受保護(hù)的虛擬架構(gòu)，在這種架構(gòu)上，系統(tǒng)軟件可以動(dòng)態(tài)建立可共享的加速器。這類器件實(shí)際上匯集了大量可動(dòng)態(tài)重新配置的邏輯門，由基于硬件的系統(tǒng)管理程序進(jìn)行管理，對(duì)邏輯門的建立、拆除、共享和安全進(jìn)行控制。

　　這兩類完全不同的體系結(jié)構(gòu)之間也有其微妙之處。總體上，考慮SoC替代的設(shè)計(jì)人員，例如，移動(dòng)設(shè)備和嵌入式計(jì)算領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員，傾向于認(rèn)為未來(lái)的FPGA是關(guān)鍵位置具有邏輯架構(gòu)的ASSP。認(rèn)為在FPGA架構(gòu)中直接實(shí)現(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)人員傾向于未來(lái)是同構(gòu)架構(gòu)，具有很大的I/O帶寬。正如FPGA大會(huì)將要發(fā)表的論文所述，還有一些團(tuán)隊(duì)嘗試怎樣實(shí)現(xiàn)硬核IP資源，例如，在可綜合處理陣列中實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器模塊和DSP流水線，在軟件用戶中實(shí)現(xiàn)異構(gòu)價(jià)值。