在FPGA運(yùn)行3D游戲的效率比在x86硬件高50倍

一般來說，在FPGA上使用的 Verilog 和 VHDL 語言都不太適合游戲開發(fā)或其他復(fù)雜的應(yīng)用程序。因此，阿根廷的開發(fā)人員Victor Suarez Rovere和賓夕法尼亞州的系統(tǒng)工程師Julian Kemmerer就決定使用Julian 的“PipelineC”類 C 硬件描述語言（HDL）、Victor 的解析器，以及數(shù)學(xué)類型庫的CflexHDL工具來開發(fā)，先通過標(biāo)準(zhǔn)編譯在 PC 上運(yùn)行相同的代碼，然后再通過自定義 C 到 VHDL 轉(zhuǎn)換器在 FPGA 上運(yùn)行相同的代碼。

他們的白皮書中提供了有關(guān)游戲開發(fā)和測試結(jié)果的很多詳細(xì)信息。比如下文：

該游戲開發(fā)需要一些數(shù)學(xué)函數(shù)，包括：浮點(diǎn)加法、減法、乘法、除法、倒數(shù)、平方根、平方根倒數(shù)、向量點(diǎn)積、向量歸一化等。出于性能原因和設(shè)計(jì)情況，使用定點(diǎn)對應(yīng)函數(shù)更容易適應(yīng)目標(biāo) FPGA，也更利于與其他類型（整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)）進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。

他們對游戲進(jìn)行了兩次編譯，一次是在運(yùn)行 Linux 的 7納米R(shí)yzen 4900H 8 核/16 線程處理器 @ 高達(dá) 4.4GHz (45W TDP) 上；另一次則是在FPGA硬件上，也就是Digilent Arty A7- 100T板，帶有 101k LUT FPGA（Xilinx Artix-7 XC7A100TCSG324-1）。

對比來看，在兩個(gè)平臺(tái)上游戲都可以流暢運(yùn)行，F(xiàn)PGA 解決方案也可以在 1920×1080 分辨率下以 60 fps 的速度渲染游戲。兩者之間主要的區(qū)別在于功耗，F(xiàn)PGA 板的功耗是660 mW，PC 的功耗是 35W。注意，據(jù)我了解，該游戲根本沒使用 Ryzen CPU 中的 GPU，而是使用 SIMD 指令來加速游戲。雖然，依靠 GPU 進(jìn)行 3D 圖形加速的類似游戲消耗可能都挺少的，但仍然還是高于 FPGA 板的。另外，他們此次使用的 FPGA 是28納米制程的，也就是說在與Ryzen CPU 相同的 7納米制程工藝的 FPGA 上預(yù)期效率就會(huì)提高 6 倍。

大家也可以通過觀看視頻，了解在 CPU 和 Arty-7 FPGA 板上模擬《Sphery vs. Shape》3D 光線追蹤游戲的設(shè)計(jì)和演示情況。相關(guān)視頻鏈接，點(diǎn)擊此處可查看。

用戶也可以在PipelineC-Graphics的GitHub 存儲(chǔ)庫中找到更多詳細(xì)信息。圖形演示看起來還是挺酷的。他們的白皮書也解釋過：“PipelineC 還可用于具有硬實(shí)時(shí)和低功耗要求的其他項(xiàng)目或產(chǎn)品。其中甚至還包括功率和重量參數(shù)非常重要的航空航天應(yīng)用、需要高可靠性和實(shí)時(shí)處理的工業(yè)控制系統(tǒng)、更輕的虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)耳機(jī)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)包過濾，以及安全和加密應(yīng)用。

未來，上述應(yīng)用程序的示例應(yīng)該都會(huì)與 RISC-V CPU和模擬器一起實(shí)現(xiàn)。目前他們打算設(shè)計(jì)一個(gè)帶有開源硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)和開源工具的 ASIC，并進(jìn)行試生產(chǎn)。

原文鏈接：3D game running on FPGA shown to be 50x more efficient than on x86 hardware由Jean-Luc Aufranc撰寫。

文章來源：CNX Software中文站

審核編輯：湯梓紅