解锁FPGA的故障免疫密码

我们身处“碳基智能”大步迈向“硅基智能”序曲中，前者更像是后者的引导程序，AI平民化时代，万物皆摩尔定律。

越快越好，几乎适用绝大多数场景。

在通往人工智能的征程中，算力无处不在，芯片作用无可替代。

十六年前，就已宣称自己是一家软件公司的英伟达，现已登顶全球第一大市值公司的王位，3600000000000元，还是美刀。

具备软件编程灵活性，又拥有硬件高性能的FPGA，是软件同类，还是属于硬件一派？

有别于专用集成电路(ASIC)需要昂贵的掩膜生产费用，FPGA作为芯片家族成员中的重要成员，无需流片就可定制设计，快速部署使用。

也被称为“平民版”的ASIC。

尤其擅长小批量应用场景。

欧洲巨头空客公司，FPGA作为其数字设计的关键组件，广泛用于空间产品(Space products)、测试单元(Test units)、原型样机(Prototyping)等。

两大厂商、三种类型、十余款芯片型号。

在欧空局的哨兵2号卫星中，共使用249个ICs，其中FPGA的数量是149片，占比近六成之多。

除了通信行业的头部大厂外，像单个客户一次采购金额在近十亿元量级、八万多片FPGAs，已经是行业较为少见的重磅事件。

一架先进F-35战斗机，大约使用3500个各类芯片，其中就包括208片FPGAs。

Source：www.militaryaerospace.com

在航天航空、防务等关键且重要的领域，对先进工艺和技术趋势的影响力和掌控力，与上世纪70年代的巅峰期相比，不可同日而语。

现在所能做的，就大多是对商用芯片买买买。

出于成本考虑，FPGA被广泛用于卫星载荷平台、通信系统、无人机、雷达系统、导弹控制、船用装备、飞行器控制系统等。

Need for Assured FPGA Functionality

Source：Systems Engineering- Critical to Defense Acquisition，2017

速度快慢，距离远近、大小和多少的衡量尺度，通常只是相对概念。

第一个古人类露西(Lucy），距今约320万年；比智人更早出现、脑容量更大的尼安德特人，大约是在数万年前，而人类创造高度文明，用时数千年。

太阳距离人类家园约15亿公里，阳光到达地球的时间大约8分20秒，与我们在手机刷个短视频的用时差不多，也就是随手分分钟的事。

地球在宇宙中的位置

来源：科普中国，sina

数字芯片为代表的硅基智能，以2022年底ChatGPT的横空出世为标志，进入到全面爆发期，进展迅猛。

即便把时间拉长到从上世纪40年代开启的电子管时代开始，极速推进到被马斯克称之为强大得可怕的现阶段，也只是几十年而已。

AI平民化时代的极简进化史(1946-2024)

来源：“无限空间：大音希声，大象无形”，复及科技

数字电路的语义和行为，在技术本质上，都是由0/1二进制实现的时域计算、或者空域计算模式，FPGA芯片更为特殊，两者兼有。

碳基生物离不开太阳，没有不行，太多不好。

硅基智能的芯片，则相反，越靠近，越要命。

太空恶劣运行环境

Source:FPGA development in Defence and Space, Airbus 

借用月之暗面AI工具(Kimi)比较脑洞的话来描述，“FPGA内部的存储器就像是一个复杂的世界，密集的居民区(CRAM)，高速主干道（BRAM），繁忙的市场(DRAM)，用户的百宝箱(Flip-Flop)等”。

各类存储单元各自扮演重要角色，不仅是数据的“栖息地”，也是系统可靠性的基石。

相对而言，也更容易受外部运行环境影响，被动发生0->1或1->0数据改变，由位翻转（bit flip）诱发的“软错误”或“软失效”现象。

处于出厂状态的FPGA，内部只是空白的门海阵列，位流（bitstream）是芯片物理结构的体现，承载硬件电路的若干创新。

这种创新首先属于FPGA厂商。

既然是半定制的硬件可编程逻辑器件，可设计为类ASIC使用，最终体现在硬件电路层级的个性化应用设计，当然也是终端用户自己的。

相同的应用设计，载入到同一厂商不同器件后，实际的芯片物理结构也完全不同。

用户将FPGA定制为“自己芯片”的示意图