可重構計算：高效靈活的計算技術

在大眾已經習慣的計算模式中，處理器和專用集成電路（ASIC）一直是兩大主流。伴隨著應用領域特別是嵌入式環境對系統的性能、能耗、上市時間等指標需求的不斷提高，傳統的計算模式暴露出了種種弊端。可重構計算技術集中了處理器和專用集成電路的優勢，能夠提供高效靈活的計算能力，自上世紀九十年代以來越來越受到業界的重視。不過，目前對可重構計算技術的研究仍舊處于初期階段，還有很多難題等待解決。

可重構沖擊傳統計算模式

面臨一個應用，如何去實現它？軟件設計者會使用編程語言編寫一段代碼，將其編譯后在處理器上執行；硬件設計者則會利用原理圖或者硬件描述語言進行設計，然后以專用集成電路的方式實現。處理器和專用集成電路已經成為了傳統計算模式的兩大主流，我們也已經習慣了這兩種計算模式。但在和這兩位“老朋友”打交道的時候，仍舊會時不時感覺到有很多不盡如人意的地方。

處理器（包括通用處理器和各種專用的嵌入式處理器）計算模式的特點在于它們都具有各自的指令集，通過執行指令集中的相關指令來完成計算，改寫軟件指令就能改變系統實現的功能，而不用去改動底層的硬件環境。但處理器的運算速度要比ASIC慢很多，這主要是因為處理器必須從存儲器中讀取每條指令，將其譯碼后再執行，因而每個獨立的操作具有更高的執行開銷。另外，處理器的指令集是由處理器自身體系結構決定的，沒有用專門指令實現的操作只能使用已有的指令組合來處理，這也增加了執行的開銷。



專用集成電路是針對某一特定應用專門設計的硬件電路。專用集成電路計算模式的特點在于用硬件來實現應用的操作。因為針對特定應用設計，所以在執行相應應用時具有很高的速度、效率和精度。但其缺陷在于開發周期太長，代價太高。而且硬件電路一旦制作好以后是不能夠被隨意改動的。這就意味著如果功能的需求發生了變化，就需要重新設計和重新加工新的專用集成電路芯片。哪怕只是芯片上的很小一部分線路需要修改，也要重新制作整個芯片。如果針對各種不同的應用都專門設計專用的電路芯片，就會帶來高昂的成本。

由此可見，現有的主流計算模式中存在的主要問題是:處理器方式能夠靈活地實現各種應用，但卻在性能上有缺陷；而硬件邏輯實現性能雖然高，但靈活性卻很差。為了在計算性能和實現靈活性上做一個很好的權衡，可重構計算（Reconfigurable Computing）技術浮出了水面。

技術發展現狀

可重構計算的概念早在上個世紀六七十年代就有學者以不同的表述方式提出過。由于技術條件的限制，直到九十年代中期才逐漸興起。目前比較權威的定義是“設立物理控制點定制硬件該如何工作，通過改動這些控制點使用戶能夠使用相同的硬件執行不同的應用”。當前已經有多個基于可重構計算技術的原型系統被開發出來，運用在自動目標識別、串匹配、數據壓縮等應用領域，取得了非常好的效果。最近幾年，可重構計算技術已經邁過了探索階段，研究者們開始更深入地對可重構計算通用模型進行研究，為后續的可重構計算系統的廣泛應用打好基礎。