效率提升50倍！采用C语言，28nm FPGA跑3D光线追踪轻松击败7nm x86

魏定国

FPGA（现场可编程门阵列）是一种可重构的微芯片——已经被证明可以运行一款用C语言编写的3D光线追踪游戏，其效率是x86 CPU的50倍，而功耗仅为后者的2%，这可能为未来编程效率的提高指明了道路。

这是由来自阿根廷的开发人员Victor Suarez Rovere和来自宾夕法尼亚州的系统工程师Julian Kemmerer所完成的，文末可以下载他们所提供的白皮书PDF。

效率提升50倍.mp4 (5.85 MB, 下载次数: 0)

2022-10-3 08:56 上传

点击文件名下载附件

FPGA采用的是Arty A7，一款售价约 280 美元的 Xilinx Artix-7 100T FPGA 开发板，采用 28 纳米工艺，具有 101,440 个逻辑单元（FPGA 的逻辑单元包含可以实现任何逻辑功能的查找表，使芯片具有可编程性），并且它的功耗不到一瓦。它所针对的 CPU是 Ryzen 7 4800H，这是一款基于 7 nm 工艺构建的八核 16 线程笔记本电脑处理器，默认 TDP 为 45W。R7 4700G 目前的售价约为 240 美元。

这款在这两个截然不同的平台上运行的游戏名为《spheres Vs Shapes》，在情节、角色或实际玩法方面似乎没有太多内容，但确实有很多光线追踪，比如一个闪亮的金属球在棋盘般的环境中弹跳，这反映在它闪亮的球形表面上。

两个平台都以1080p和每秒50帧的速度渲染游戏，但FPGA使用660毫瓦，而R7需要35W，相差53倍。据推测，如果FPGA使用与CPU相同的7nm工艺，FPGA的功耗可能会降低到110毫瓦。

整个事情的关键是Kemmerer发明的Pipeline C 和Suarez。你可以在GitHub上找到它们。"游戏的像素渲染和动画逻辑是基于浮点和矢量数学运算的。所有的游戏代码都是用一种简洁的语法来表达的，可以直接转化为数字电路。他们在论文中写道："这个设计目前的目标是一块具有全高清数字视频输出的FPGA板，而且这个工作流程还允许使用未经修改的源代码在普通PC上实时运行游戏。"这使得开发-测试迭代的速度比传统的硬件设计工具快得多。对于相同的工作负荷，计算效率比使用现代CPU要好50倍以上，而芯片的体积要小一个数量级。"

"Sphery Vs Shapes "作为一个图形演示相当不错，这意味着未来的编程是更有趣的--特别是当FPGA将开始出现在AMD芯片中。我们计划将整个系统移植到RISC-V上，并设计一个支持流水线的开源ASIC，这也为微控制器的世界提供了可能性。”这些代码可以被转换成逻辑电路，在现成的CPU上运行，或者在微控制器上开发硬件/软件外设，而无需更改代码。”Suarez和Kemmerer在结论中写道。"我们获得的结果很容易重复，因为材料很容易获得，而且不贵"。

完