可重构计算技术将渐入民用领域

    可重构计算（Reconfigurable Computing） 技术是指在软件的控制下，利用系统中的可重用资源（如FPGA等可重构逻辑器件），根据应用的需要重新构造一个新的计算平台，达到接近专用硬件设计的高性能。它避免了微处理器计算模式因为取指、译码等步骤导致的性能损失，同时也消除了专用集成电路（ASIC）计算模式因为前期设计制造的复杂过程带来的高代价和不可重用等缺陷。
 
    从某种意义上来说，可重构计算技术并不是什么新技术，在上世纪五六十年代就有科学家提出了这一概念并开始研究，但由于受到硬件等诸多方面条件的限制，直到上个世纪九十年代中期，可重构计算技术逐渐成形并成为研究热点。

已在航天与军事领域得到广泛应用

    澳大利亚科学卫星FedSat号（2002年12月发射升空）率先将可重构计算技术运用于航天领域。这颗卫星中采用的可重构器件（Xilinx公司的FPGA）是卫星高性能计算有效负载的关键器件。可重构计算技术的采用使卫星无须返回地面即可改变内部电子线路，从而节省了大量的研发时间与成本。据报道，2003年时这颗卫星的一个方向传感器出现了由振动导致的异常，科学家们通过发送代码补丁的方法便完成了传感器控制算法的更新，使FedSat号得以正常运行。 此外，NASA 的“勇气”号和“机遇”号火星车上也使用了大量可重构逻辑器件。

    在军事领域，可重构计算技术的应用要更早一些。美国在50年代末就开始了可重构计算在导弹防御(BMD)中的应用研究并一直延续至今。而美军空军的“宝石柱”（Pave Pillar）计划使航空电子综合系统具有较好的重构能力，并已成功地应用在F－22军用飞机上。可重构计算技术的应用使航空电子综合系统的主动容错能力增强，大大提升了飞机的可靠性。

进军民用领域

    与其他许多优秀的技术相同，可重构计算技术的应用也将逐渐由军事、航天等领域向民用领域过渡。这是由其自身优势和半导体技术的不断发展所决定的。

    可重构计算技术在民用领域的优势主要体现在三个方面。第一，可使设计者用更为简单的硬件来实现更多的功能。由于所有逻辑不需要同时出现在FPGA内，因此，支持额外特性所需的成本降低到存放配置文件所需内存的成本。第二，可降低系统的成本——对于生产量较小的应用而言，可节省ASIC设计与制造所带来的成本，而对于大批量生产的产品而言，可重构计算技术的采用使产品可现场升级，延长了产品的生命周期，因此而节省的成本更为可观。另一方面，FPGA可通过重构多个软核在单片上实现多个指令集的处理器。根据现场计算任务的划分，实时实现不同的处理器功能，达到一次芯片设计，多个功能实现，从而大幅度降低芯片设计和制造的NRE（Non-Recurring Expenses ，一次性工程费用）成本。第三，可缩短产品周期——由于不再使用ASIC，可节省大量的芯片设计和验证所需的时间，此外，可重构特性增加了设计的灵活性，设计者在设计之初无需将所有功能加入产品中，新的功能可在产品上市后逐步添加。对于那些基于网络的产品（如机顶盒，移动电话等）来说，升级的过程甚至无需用户参与。[2]

    另外，FPGA的迅速发展为可重构计算技术的发展提供了必要的硬件支持。作为实现可重构计算技术的关键器件，FPGA在过去很长一段时间内存在计算密度低、配置时间长、封装复杂、高密度芯片的静态功耗和尺寸大等问题。在性能上不及ASIC，通用性不如处理器。因此，FPGA的应用在多媒体、通信等嵌入式应用场合以及硬件系统的原型设计中。如今，FPGA已经跨入65nm时代，并能嵌入处理器软核、乘法器以及大量的片上存储器，I/O管脚数也得到很大程度的增加。性能和通用性的不断提升与价格和功耗的不断降低，将使FPGA能满足可重构系统对硬件的要求。

    在民用电子领域中，汽车电子以其特殊性给了可重构计算技术更多的表现机会，因此，汽车电子很有可能成为可重构计算技术进入民用领域的突破口。
    首先，满足了对汽车电子产品对可靠性的要求。由于汽车工作在极为复杂的复合式工作环境下，因此对于汽车电子产品的可靠性要求较一般电子产品更为严格。与现在可重构技术在航空领域的应用相似，采用可重构计算技术有助于提升车辆的主动容错能力，使车辆更加安全可靠——一方面，当可重构逻辑器件上出现错误，可将可重构逻辑器件上的一部分配置为测试模式发生器，对器件上的故障区域做测试，同时还可以利用器件上的其他资源对测试结果进行分析，得到具体的错误信息。另一方面，可重构逻辑器件拥有大量的可重构资源，一旦将错误定位后，可以对可重构逻辑器件重新配置，避开产生错误的芯片区域，利用其周边的其他可重构资源组合替代原本在出错区域上实现的功能。这种修复方案也被称作“可进化硬件”(Evolvable Hardware,EHW)修复方案。

    其次，可重构计算技术能够通过动态改变器件配置来灵活满足多种功能需求。例如，同一款车型中可能分有标准型、豪华型等,利用可重构器件使设计者无需设计多个原型系统，只需用不同的配置文件对可重构器件进行配置，即可使产品在不同车型上的功能有所区别。另外，由于汽车电子领域内LIN、CAN、MOST以及FlexRay多种标准共存，利用可重构逻辑器件作为各种标准间的桥接逻辑，可避免这些总线标准间的冲突。[6]

    除了上述两点之外，与可重构计算技术在其他领域的应用相似，它在汽车电子领域的应用还可提高产品性能、加速产品开发速度并降低产品成本。由于该技术在汽车领域的优势显而易见，目前已经吸引到了越来越多业界厂商的关注。

    虽然在许多方面尚需完善，但毫无疑问，可重构计算技术拥有光明的前景，而这种技术自身的特性决定了它绝不仅仅只适用于特殊领域。相信在不久的将来，可重构计算技术将随着科技的不断发展走入民用领域，为我们带来更多的便利。

参考文献：

[1] 鲍哓宇　施克仁. 可重构信息处理
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. 超级计算背后的英雄.
http://www2.ccw.com.cn/07/0704/b/0704b05_3.html.
[5] Katherine Compton. Reconfigurable Computing : A Survey of Systems and Software.
[6] 王涛 王峰.可重构计算技术在汽车电子领域的应用探讨.电子工程专辑