可重構計算技術將漸入民用領域

    可重構計算（Reconfigurable Computing） 技術是指在軟件的控制下，利用系統(tǒng)中的可重用資源（如FPGA等可重構邏輯器件），根據應用的需要重新構造一個新的計算平臺，達到接近專用硬件設計的高性能。它避免了微處理器計算模式因為取指、譯碼等步驟導致的性能損失，同時也消除了專用集成電路（ASIC）計算模式因為前期設計制造的復雜過程帶來的高代價和不可重用等缺陷。
 
    從某種意義上來說，可重構計算技術并不是什么新技術，在上世紀五六十年代就有科學家提出了這一概念并開始研究，但由于受到硬件等諸多方面條件的限制，直到上個世紀九十年代中期，可重構計算技術逐漸成形并成為研究熱點。

已在航天與軍事領域得到廣泛應用

    澳大利亞科學衛(wèi)星FedSat號（2002年12月發(fā)射升空）率先將可重構計算技術運用于航天領域。這顆衛(wèi)星中采用的可重構器件（Xilinx公司的FPGA）是衛(wèi)星高性能計算有效負載的關鍵器件?？芍貥嬘嬎慵夹g的采用使衛(wèi)星無須返回地面即可改變內部電子線路，從而節(jié)省了大量的研發(fā)時間與成本。據報道，2003年時這顆衛(wèi)星的一個方向傳感器出現了由振動導致的異常，科學家們通過發(fā)送代碼補丁的方法便完成了傳感器控制算法的更新，使FedSat號得以正常運行。 此外，NASA 的“勇氣”號和“機遇”號火星車上也使用了大量可重構邏輯器件。

    在軍事領域，可重構計算技術的應用要更早一些。美國在50年代末就開始了可重構計算在導彈防御(BMD)中的應用研究并一直延續(xù)至今。而美軍空軍的“寶石柱”（Pave Pillar）計劃使航空電子綜合系統(tǒng)具有較好的重構能力，并已成功地應用在F－22軍用飛機上。可重構計算技術的應用使航空電子綜合系統(tǒng)的主動容錯能力增強，大大提升了飛機的可靠性。

進軍民用領域

    與其他許多優(yōu)秀的技術相同，可重構計算技術的應用也將逐漸由軍事、航天等領域向民用領域過渡。這是由其自身優(yōu)勢和半導體技術的不斷發(fā)展所決定的。

    可重構計算技術在民用領域的優(yōu)勢主要體現在三個方面。第一，可使設計者用更為簡單的硬件來實現更多的功能。由于所有邏輯不需要同時出現在FPGA內，因此，支持額外特性所需的成本降低到存放配置文件所需內存的成本。第二，可降低系統(tǒng)的成本——對于生產量較小的應用而言，可節(jié)省ASIC設計與制造所帶來的成本，而對于大批量生產的產品而言，可重構計算技術的采用使產品可現場升級，延長了產品的生命周期，因此而節(jié)省的成本更為可觀。另一方面，FPGA可通過重構多個軟核在單片上實現多個指令集的處理器。根據現場計算任務的劃分，實時實現不同的處理器功能，達到一次芯片設計，多個功能實現，從而大幅度降低芯片設計和制造的NRE（Non-Recurring Expenses ，一次性工程費用）成本。第三，可縮短產品周期——由于不再使用ASIC，可節(jié)省大量的芯片設計和驗證所需的時間，此外，可重構特性增加了設計的靈活性，設計者在設計之初無需將所有功能加入產品中，新的功能可在產品上市后逐步添加。對于那些基于網絡的產品（如機頂盒，移動電話等）來說，升級的過程甚至無需用戶參與。[2]

    另外，FPGA的迅速發(fā)展為可重構計算技術的發(fā)展提供了必要的硬件支持。作為實現可重構計算技術的關鍵器件，FPGA在過去很長一段時間內存在計算密度低、配置時間長、封裝復雜、高密度芯片的靜態(tài)功耗和尺寸大等問題。在性能上不及ASIC，通用性不如處理器。因此，FPGA的應用在多媒體、通信等嵌入式應用場合以及硬件系統(tǒng)的原型設計中。如今，FPGA已經跨入65nm時代，并能嵌入處理器軟核、乘法器以及大量的片上存儲器，I/O管腳數也得到很大程度的增加。性能和通用性的不斷提升與價格和功耗的不斷降低，將使FPGA能滿足可重構系統(tǒng)對硬件的要求。

    在民用電子領域中，汽車電子以其特殊性給了可重構計算技術更多的表現機會，因此，汽車電子很有可能成為可重構計算技術進入民用領域的突破口。
    首先，滿足了對汽車電子產品對可靠性的要求。由于汽車工作在極為復雜的復合式工作環(huán)境下，因此對于汽車電子產品的可靠性要求較一般電子產品更為嚴格。與現在可重構技術在航空領域的應用相似，采用可重構計算技術有助于提升車輛的主動容錯能力，使車輛更加安全可靠——一方面，當可重構邏輯器件上出現錯誤，可將可重構邏輯器件上的一部分配置為測試模式發(fā)生器，對器件上的故障區(qū)域做測試，同時還可以利用器件上的其他資源對測試結果進行分析，得到具體的錯誤信息。另一方面，可重構邏輯器件擁有大量的可重構資源，一旦將錯誤定位后，可以對可重構邏輯器件重新配置，避開產生錯誤的芯片區(qū)域，利用其周邊的其他可重構資源組合替代原本在出錯區(qū)域上實現的功能。這種修復方案也被稱作“可進化硬件”(Evolvable Hardware,EHW)修復方案。

    其次，可重構計算技術能夠通過動態(tài)改變器件配置來靈活滿足多種功能需求。例如，同一款車型中可能分有標準型、豪華型等,利用可重構器件使設計者無需設計多個原型系統(tǒng)，只需用不同的配置文件對可重構器件進行配置，即可使產品在不同車型上的功能有所區(qū)別。另外，由于汽車電子領域內LIN、CAN、MOST以及FlexRay多種標準共存，利用可重構邏輯器件作為各種標準間的橋接邏輯，可避免這些總線標準間的沖突。[6]

    除了上述兩點之外，與可重構計算技術在其他領域的應用相似，它在汽車電子領域的應用還可提高產品性能、加速產品開發(fā)速度并降低產品成本。由于該技術在汽車領域的優(yōu)勢顯而易見，目前已經吸引到了越來越多業(yè)界廠商的關注。

    雖然在許多方面尚需完善，但毫無疑問，可重構計算技術擁有光明的前景，而這種技術自身的特性決定了它絕不僅僅只適用于特殊領域。相信在不久的將來，可重構計算技術將隨著科技的不斷發(fā)展走入民用領域，為我們帶來更多的便利。

參考文獻：

[1] 鮑嘵宇　施克仁. 可重構信息處理
http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/jsjzdclykz/jsjz2000/0001/000101.htm.
[2] Michael Barr . A Reconfigurable Primer. 
http://www.netrino.com/Articles/RCPrimer.
[3] Jeff Child . FPGAs Pave Road to Reconfigurable Computing.
http://www.cotsjournalonline.com/home/article.php?id=100043.
[4] 安虹. 超級計算背后的英雄.
http://www2.ccw.com.cn/07/0704/b/0704b05_3.html.
[5] Katherine Compton. Reconfigurable Computing : A Survey of Systems and Software.
[6] 王濤 王峰.可重構計算技術在汽車電子領域的應用探討.電子工程專輯