软件定义芯片的研究现状|算法|编程

软件定义芯片是一种新兴的集成电路设计方法学。其目标是在单颗芯片上兼顾实现高性能、高能效、高灵活和高安全，与传统芯片设计相比获得绝对综合优势。相关的研究工作如空间计算结构、动态可重构结构、高层次综合等一直是计算机体系结构、固态电路和电子设计自动化等领域的热点。对具有动态重构、粗粒度计算、软件定义硬件等特点的新型可重构可编程器件技术的探索已经在国内外展开，并已经成为世界强国战略必争的研究方向。

如图 1 所示，DARPA 于 2017 年将软件定义硬件技术确定为未来 10 年电子技术发展的支撑性技术之一，希望建立“运行时可重构的硬件和软件，在不牺牲数据密集型算法可编程性的前提下，实现接近专用电路的性能”。其特征在于：①软件代码和硬件结构均可针对输入数据进行动态优化；②支持面向新问题、新算法的硬件重用。因此，DARPA 认为软件定义硬件实现的关键是快速硬件重构和动态编译。按照 DARPA 的项目规划，软件定义硬件的能量效率可以在未来五年达到通用处理器的两个数量级以上，并实现重构速度达到 300～1000ns。该项目首次明确提出软件定义硬件的研究目标，指导了该领域的发展方向。

图1 DARPA 的“电子振兴计划”和欧盟的“地平线 2020”计划

软件定义芯片与软件定义硬件并无本质区别，但是参考图2可以看到，芯片的敏捷开发是软件定义芯片的额外特性。同时，欧盟的“地平线 2020”计划同样在软件定义硬件方向有类似的规划，只是更加偏重通信等具体应用。

图2 软件定义芯片的编程使用模式

与软件定义芯片相关的研究更加丰富，表 1列举了一些有代表性的产品。欧洲航天局早在 2010 年左右就在 Astrium的卫星载荷上使用了 PACT 公司的 CGRA器件的 IP。欧洲 IMEC 在 2004 年左右提出的动态可重构结构 ADRES 则在三星的生物医疗、高清电视等系列产品中得到应用。日本的瑞萨科技则使用了其2004 年提出的 DRP 结构。随着粗粒度可编程计算阵列等结构的加入，Xilinx 的新产品 Versal 可以代表软件定义 SoC 的发展。在学术界，斯坦福大学、加利福尼亚大学洛杉矶分校、麻省理工学院的研究团队等也在该方向开展了长期研究，研究成果在相关领域的顶级会议上连续发表。

表 1 软件定义芯片相关研究的产业化情况

国内与软件定义芯片相关的研究已开展了近 20 年，图3总结了国内各级部委的项目支持。国家自然基金委员会 2002 年启动的“半导体集成化芯片系统基础研究重大科学计划”即对可重构计算芯片的基础理论研发进行了提前布局。近 10 年，国家自然基金委员会几乎每年都会支持与可重构计算相关的课题。科技部通过设立“十一五”863 重点项目“嵌入式可重构移动媒体处理核心技术”、“十二五”863重点项目“面向通用计算的可重构处理器关键技术研发”对可重构计算芯片技术的研发进行了支持。国内研究的产业化在近几年如火如荼，孵化了清微智能、无锡沐创等基于可重构计算技术的创业公司。

图3 国内软件定义芯片的相关研究支持

《软件定义芯片》共分上、下两册。

上册主要从集成电路和计算架构的发展介绍软件定义芯片的概念演变，系统分析了软件定义芯片的技术原理、特性分析和关键问题，重点从架构设计原语、硬件设计空间、敏捷设计方法等方面系统介绍了软件定义芯片硬件架构设计方法，并从编译系统角度详细介绍了从高级语言到软件定义芯片配置信息的完整流程。

ISBN 978-7-03-068779-1

责任编辑：赵艳春

下册通过回溯现代通用处理器和编程模型协同演化历程分析了软件定义芯片编程模型的研究重点，介绍了如何利用软件定义芯片的动态可重构特性提升芯片硬件安全性和可靠性，分析了软件定义芯片面临的挑战并展望未来实现技术突破的发展方向，涵盖了软件定义芯片在人工智能、密码计算、5G 通信等领域的最新研究以及面向未来的新兴应用方向。

责任编辑：赵艳春