被国人”忽视的“FPGA相关研究领域 精选

已有 3753 次阅读 2013-8-18 22:43 |个人分类:科研心得|系统分类:科研笔记|关键词:FPGA, 领域, 顶级会议，落后

什么是FPGA？咋们先看下百度百科的解释：

“FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活”。

简单的来讲FPGA就是一块可编程的芯片，而且是一种编程可实现任意数字逻辑功能的硬件，更简单的说，在这个硬件上我可以实现另一个硬件，而且掉电后FPGA会恢复成白片（没有逻辑功能了），以后我还可以在它上面编程实现其它硬件功能（不知道说明白没~~）。

世界上首款FPGA：XC2064诞生于1985年，采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个。2007年，FPGA业界双雄Xilinx和Altera公司推出采用65nm工艺的FPGA产品，其门数量已经达到千万级，晶体管个数更是超过10亿个。一路走来，FPGA在不断地推动着半导体工艺的进步：2001年采用150nm工艺、2002年采用130nm工艺，2003年采用90nm工艺，2006年采用65nm工艺。如今，我所使用FPGA已经是28nm工艺了。28年了，“半导体市场格局已成三足鼎立之势，FPGA，ASIC和ASSP三分天下。FPGA已经逐步侵蚀ASIC和ASSP的传统市场，并处于快速增长阶段。现阶段FPGA的应用不断扩展，从工业控制、视频监控到汽车电子，应用领域正向各行各业渗透“。Xilinx公司的首席执行官Wim Roelandts甚至宣称：“在未来十年内每一个电子设备都将有一个Xilinx的可编程逻辑芯片”。

“由于全球四家FPGA公司Xilinx（赛灵思）、Altera（阿尔特拉）、Lattice（莱迪斯）、Microsemi（美高森美）全部是美国公司，美国政府对我国的FPGA产品与技术出口进行苛刻的审核和禁运，使得我国在航天、航空乃至国家安全领域都受到严重制约。尽管多年来我国政府投入了数百亿科研经费，通过逆向工程方式仿制美国禁运的FPGA产品。但由于知识产权、生产工艺和软件技术诸多方面的限制，仿制品种有限，技术无法突破，难以满足国家安全的需要。随着国际形势的变化，通过走私进口禁运产品的渠道可能被切断，进口的关键芯片也可能被人为地嵌入后门通道或定时炸弹等模块，严重危及国家安全。因此，研发具有自主知识产权的FPGA技术与产品对于打破美国企业和美国政府结合的垄断意义深远。”

28年了，国人无论在FPGA芯片设计制造还是在FPGA应用领域处于严重落后的状态。FPGA三大顶级会议：FPGA，FCCM和FPL从未在大陆举办过，这说明大陆在该领域基本没什么话语权。FPT（可编程逻辑阵列技术国际学术会议）该会议主要在亚洲太平洋地区举办，虽然在国际上享有很高的声誉，但还算不上是FPGA领域顶级会议，FPT首次在大陆举办是2010年，地点是清华大学，当年清华大学对外宣称的是“FPGA技术领域顶级会议之一”，那时我刚好在清华大学EDA实验室实习，因此有幸参加了这个会议，但面孔以亚洲人居多啊。下面再说下真正的FPGA三大顶级会议：

• FPGA会议：The ACM International Symposium on Field-Programmable Gate Arrays，Top 57 conferences（http://blog.sciencenet.cn/blog-43473-215597.html）；南洋理工计算机科学会议参考排名为Rank 2（http://www.ntu.edu.sg/home/assourav/crank.htm）；公认的ACM举办的FPGA领域的顶级会议，每年收录文章数量很少，大概20~30篇的样子，至今为止，中了多少篇，我没有统计，估计中的人很少，在我领域的很多大牛也就只能中Poster的份。大家看下IEEE举办的FPGA领域的顶级会议FCCM的资料就知道了。

• FPL会议: International Conference on Field Programmable Logic and Applications, FPGA三大顶级会议（FPGA，FCCM，FPL）之一，可重构技术领域最老最大的会议，每年一次. FPL 2013的Long paper录用率20%左右。Top 57 conferences（http://blog.sciencenet.cn/blog-43473-215597.html）; 南洋理工计算机科学会议参考排名为Rank 2（http://www.ntu.edu.sg/home/assourav/crank.htm ）

• 我仔细查了IEEE举办的FPGA领域的顶级会议FCCM（IEEE Symposium on Field Programmable Custom Computing Machines）：Top 57 conferences（http://blog.sciencenet.cn/blog-43473-215597.html）；南洋理工计算机科学会议参考排名为Rank 2（http://www.ntu.edu.sg/home/assourav/crank.htm）；2009年，国防科技大学窦勇教授（2011年度国家杰出青年科学基金获得者）的论文 ” AFine-grained Pipelined Implementation of the LINPACK Benchmark on FPGAs” 在可重构计算顶级会议FCCM上发表，是该会议举办以来中国大陆研究机构首次发表论文。自该会议举办21届以来（截止至2013年）中国大陆研究机构在FCCM上发表论文未超过10篇。FCCM每年收录的文章不多，比如FCCM2013收录文章共51篇：其中18篇long paper，19篇short paper，14篇poster paper。表一为中国大陆研究机构在FCCM上发表论文一览表。

表1：自该FCCM举办以来中国大陆研究机构在其上发表论文一览表

*注意此表格中oral paper包含long paper和short paper，比如2013年上海交大的2篇文章都是4-pages的short paper，清华的1篇则是long paper。

我们都知道在计算机相关领域，顶级会议的重要性不言而喻，最新的研究成果往往是在会议上发表，因而在高级别会议上发表高质量的文章无疑代表了国内在某一领域的科研水平（注：仅仅适用于计算机相关领域）。从表1我们可以看出，20几年了，大陆学者在上面的文章量少（10篇），但是其增长趋势是很乐观的。

2009年考入现在大学的研究生后，跟着我的硕士生导师吴强老师做FPGA动态部分可重构，记得那时候做系统开发的时候，命令行模式效率低下，后来转用planahead做动态可重构，时不过半年，要想在当时新一代产品v5上做动态重构已经很难了，因为当时候xilinx把可重构商业化了，也就是要用他的技术和软件开发产品已经要钱了，即使是学术价一个license要一千美金啊，深感当时无论是FPGA器件本身还是在其所提供极其具有前景的技术和支持该技术的EDA工具都被国外垄断，国内在动态部分可重构领域不具备任何有知识产权的产品， 无赖，对于我们没有项目支撑的来说，即使对这项技术很敢兴趣，也只能断然止步，还好当时候我的恩师吴强推荐本人去了清华大学eda实验室，遇上了本人学术生涯的第二位恩师，吕勇强助理教授，从此开始了超大规模集成电路的布局算法的理论研究，但是不到一年因为硕博连读不得已回校到现在实验室，半年后又重回FPGA研究领域，专注FPGA安全与可信领域，开始了现在的研究。现在研究的主要是物理不可克隆函数，这个东西应用前景非常好，它能为硬件产生指纹，而且是不可克隆的！这样有什么好处？最简单的是能给硬件防伪，更深一层的是能结合集成电路的特征限制所开发的软硬件产品只能运行的特定FPGA器件运行的目的，这也是本人目前正在研究的东西，目前初步的研究成果马上会在会议发表。重要的是还有很多领域都能用到PUF，正因为如此，美国已经成立了两家公司专注开发产品了！可是国内是什么现状？清华，浙大有人在研究，但远未走上国际舞台……国内还没起步，美国就开始想办法挣钱了……

希望国产FPGA在军用和民用方面早日成为现实，打破国外垄断；更希望FPGA的应用能带动中国相关领域的发展。