详解FPGA：人工智能时代的驱动引擎

　　FPGA（现场可编程门阵列） 是一款特殊的半导体器件， 它在制造出来后仍然能够被 任意修改电路结构， 以适应不同应用的需要。 相比于其他种类的芯片，FPGA 具有极强的 灵活性， 同时在性能、功耗和开发成本等方面达到了出色的平衡。 因此 FPGA 被广泛应 用在电信、工业控制、高性能计算等多个领域。 本书详细梳理和分析了FPGA 在大数据和人工智能时代的新技术、 开发的新方法， 以及FPGA 在异构计算时代的新趋势和新方向， 并重点讨论了FPGA 的主要技术特点。 本书致力于向业界决策人士提供 FPGA 的先进理念与有价值的实践模式， 促进大 数据、 人工智能等新兴技术与各行业的深度融合提升。 同时也为 FPGA 从业人员在处理 实际工程技术问题时， 提供系统的方案和有价值的参考。 此外， 本书对学界、 企业界和社 会中的非专业人员或技术爱好者了解FPGA 的先进理念和知识， 也有很大的参考价值。

　　石侃，博士毕业于伦敦帝国理工学院电子工程系，现就职于英特尔公司，担任FPGA研发工程师，兼任英特尔研究院的研究科学家。他深耕于FPGA的数据中心网络加速、网络功能虚拟化、高速有线网络通信等领域的研发和创新工作。 在学术界，他曾经针对FPGA、近似计算、计算机数学等技术和领域，在DAC、FCCM、FPT、ISCAS、TRETS、TVLSI等多个国际顶级会议和期刊上发表过研究论文，并两次获得欧盟HiPEAC论文奖。 是微信公众号“老石谈芯”的主理人，已发表70余篇原创文章，以及数十条原创视频内容，深受读者好评，B站关注人数超过10万，全网关注人数超过25万，全网累计视频播放量达数百万。

目录
第1章延续摩尔定律——FPGA的架构革新

1．1什么是FPGA

1．2从无到有，从小到大，从大到强——FPGA发展的
三个阶段

1．2．1发明阶段： 历史的必然

1．2．2扩张阶段： 设计自动化的兴起

1．2．3累积阶段： 复杂片上系统的形成

1．3超越维度的限制——3D FPGA

1．3．1赛灵思堆叠硅片互联(SSI)技术

1．3．2SSI技术的主要缺点

1．3．3SSI技术小结

1．3．4英特尔EMIB技术

1．3．5基于EMIB技术的异构FPGA的潜在问题

1．3．6EMIB技术小结

1．4突破集成度的边界——从FPGA到ACAP

1．4．1ACAP概述

1．4．2芯片架构： 在传统中变革

1．4．3CLB微结构： 翻天覆地

1．4．4第四代SSI技术： 3D FPGA的
进一步优化

1．4．5片上网络： 高带宽数据传输的全新利器

1．5灵活与敏捷共存——英特尔Agilex FPGA

1．5．1英特尔10nm工艺能否后发制人

1．5．2全新的芯片布局与微架构优化

1．5．3CXL： CPU与FPGA互连的终极方案

1．5．4可变精度DSP： 全力支持AI应用

1．5．5增强版HyperFlex架构

1．5．6oneAPI： 英特尔的雄心

1．6本章小结

第2章拥抱大数据洪流——云中的FPGA

2．1第一个吃螃蟹的人——微软Catapult项目

2．1．1Catapult项目的产生背景

2．1．2在数据中心里部署硬件加速单元的
考虑因素

2．1．3几类硬件加速模块的对比

2．1．4Catapult项目的三个阶段





2．1．5微软Catapult项目小结

2．2FPGA即服务(FPGA as a Service)

2．2．1亚马逊AWSF1实例： FPGA云服务的
首次尝试

2．2．2AWS FPGA云服务的技术概述

2．2．3其他公有云提供商的FPGA加速服务

2．3下一代电信网络： SDN、NFV与FPGA

2．3．1网络功能虚拟化(NFV)与软件定义
网络(SDN)的意义

2．3．2使用FPGA加速虚拟网络功能的实现

2．4系统级解决方案： FPGA加速卡

2．4．1FPGA应用方案的转型

2．4．2英特尔的FPGA加速卡布局

2．4．3赛灵思的FPGA加速卡布局

2．4．4第三方FPGA加速卡

2．5虚拟与现实之间——FPGA虚拟化

2．5．1为什么要进行FPGA虚拟化

2．5．2FPGA虚拟化的主要目标

2．5．3FPGA虚拟化的层次划分

2．5．4常见的FPGA虚拟化实现方法

2．5．5FPGA虚拟化的未来研究方向

2．6本章小结

第3章FPGA在人工智能时代的独特优势

3．1实时AI处理： 微软脑波项目

3．1．1FPGA资源池化的主要优点

3．1．2脑波项目系统架构

3．1．3脑波项目的性能分析

3．2AI加速引擎： FPGA与深度神经网络的近似
算法

3．2．1使用低精度定点数代替浮点数

3．2．2网络剪枝

3．2．3深度压缩

3．3下一个Big Thing： FPGA公司在AI时代的布局

3．3．1赛灵思

3．3．2英特尔

3．3．3Achronix

3．4路在何方： FPGA在AI时代未来的发展方向

3．5本章小结

第4章更简单也更复杂——FPGA开发的新方法

4．1难上加难： 现代FPGA开发的痛点

4．2让软件工程师开发FPGA——高层次综合

4．2．1FPGA高层次综合的前世今生

4．2．2高层次综合的主要工作原理：
以AutoPilot为例

4．2．3高层次综合工具常用的优化方法

4．2．4高层次综合的发展前景

4．3商业级开源开发工具： 赛灵思Vitis

4．4一个晶体管也不能少： 英特尔oneAPI

4．5本章小结

第5章站在巨人的肩上——FPGA发展的新趋势

5．1百花齐放、百家争鸣： FPGA学术研究概况

5．1．1多伦多大学

5．1．2加州大学洛杉矶分校(UCLA)

5．1．3帝国理工学院

5．1．4清华大学

5．1．5FPGA领域的主要学术会议

5．2FPGA 20年最有影响力的25项研究成果

5．2．1FPGA系统架构篇

5．2．2FPGA微架构篇

5．2．3FPGA布局布线算法篇

5．2．4其他EDA/CAD算法篇

5．2．5FPGA应用篇

5．3这是最好的时代——FPGA未来的发展方向

5．4本章小结