29、FPGA技术：现状、挑战与未来展望

FPGA技术：现状、挑战与未来展望

1. FPGA数据流组合与功耗问题

在FPGA中，多个数据流的组合存在一定难度。虽然有些元素（如延迟器和多路复用器）可直接用于路由多个数据流，但加法器和乘法器等则需要特殊考虑，以防止操作过程中因字长增长而导致溢出。由于FPGA架构中的硬件是固定的，无法修改进位链，但有一种替代方法可以通过巧妙地在比特层面利用现有硬件来实现计算分离，从而克服这些限制。

功耗一直是FPGA发展中的关键问题。从早期版本至今，FPGA的低功耗特性使其相较于CPU和GPU等计算替代方案更具吸引力，这也引起了IBM、英特尔、亚马逊和微软等公司的兴趣。不过，FPGA也面临着功耗相关的问题，特别是静态功耗。为解决这一问题，可采用技术、电路和架构等方面的解决方案。

与许多计算替代方案不同，FPGA可以设计出最符合算法需求的架构，从而优化动态功耗。在一定程度上，可以通过提高吞吐量，然后降低电压来降低功耗，但由于FPGA技术已经针对低电压操作进行了优化，这种方法的潜力有限。

此外，还有一些其他降低开关电容的方法，其中流水线技术是最自然的选择之一。由于FPGA架构中存在大量寄存器，采用流水线技术非常容易实现。从功耗角度来看，引入流水线寄存器有诸多优点，它可以减少毛刺，降低互连电容。吞吐量的提高还能减少提供解决方案所需的计算量，并实现硬件共享。例如，在基于FFT的实际应用中，就采用了一些特定于DSP的优化方法。

2. FPGA设计方法的演变

随着FPGA中专用DSP块的出现，设计功能的映射变得更加简单。对于字长在8 - 12位的定点DSP系统（这是FPGA的核心目标市场），如果解决了字长增长问题，这些设计可以轻松映射到18位