简介：首先，FPGA与CPU GPU APU NPU TPU DSP这些不同类型的处理器，可以被统称为"处理器"或者"加速器"。它们在计算机硬件系统中承担着核心的计算和处理任务，可以说是系统的"大脑"和"加速引擎"。这些处理器单元都是计算机系统中的关键组件，它们扮演着不同的角色，为计算机系统提供各种计算和处理能力。
FPGA ～ 第 2 篇 —— FPGA、CPU、GPU、APU、DSP、NPU和TPU
一. 关系与区别
FPGA、CPU、GPU、APU、DSP、NPU和TPU虽然都属于处理器的范畴，但它们在设计目标、架构特点、应用场景等方面存在明显的关系和区别
1. FPGA(现场可编程门阵列):
- 采用可重构的硬件架构,可通过编程实现不同逻辑功能
- 并行处理性能出众,适合数字信号处理、加密解码、视频处理等
- 相比软件,具有较短开发周期和高可靠性
2. CPU(中央处理器):
- 设计用于顺序执行通用计算任务
- 采用冯·诺伊曼架构,由控制单元、算术逻辑单元等组成
- 是计算机系统的"大脑",负责运行操作系统和应用程序
3. GPU(图形处理器):
- 原为图形渲染和3D游戏加速而生
- 采用大规模并行架构,数以千计的小核心并行工作
- 现已扩展至通用计算加速,如深度学习、科学计算等
4. APU(加速处理器):
- 将CPU和GPU集成在同一芯片上
- 融合通用计算和图形/多媒体加速能力
- 常见于移动设备、入门级台式机/笔记本电脑
5. DSP(数字信号处理器):
- 专为实时处理数字信号而设计,如音频/视频编解码
- 架构特化于数字信号处理算法和大量并行运算
- 广泛集成在手机SoC、视频编码芯片等中
6. NPU(神经网络处理器):
- 专门为人工智能推理和训练进行硬件加速
- 采用大规模并行SIMD架构,高效处理矩阵/张量运算
- 常集成在移动设备和边缘计算设备的SoC芯片中
7. TPU(张量处理器):
- 谷歌为大规模深度学习训练和推理而量身定制的专用AI加速器
- 拥有大规模矩阵乘法单元,能高效执行张量运算
- 主要部署在谷歌的数据中心和云端
总的来说:
- FPGA强于特定领域的硬件加速
- CPU为通用计算"大脑"
- GPU和NPU/TPU主要用于AI/并行计算加速
- DSP擅长实时数字信号处理
- APU将CPU和GPU集成，提供混合计算能力
这些芯片分别在不同场合用于不同用途，又可结合形成异构系统，发挥最大计算效能。未来它们将继续融合发展，催生新型混合架构以应对不同应用需求。
二. FPGA问答
1. 咱们一般使用的电脑主机中，会有使用到FPGA芯片吗？
一般来说，传统的个人电脑主机中并不常见直接使用 FPGA 芯片。大多数普通的个人电脑主机使用的是通用的处理器（如CPU和GPU）、内存、存储设备等标准组件。
然而，有一些特定的应用场景或特定的计算机系统可能会使用 FPGA 芯片。例如：
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专业工作站：某些需要高性能计算和定制化功能的专业工作站可能会集成 FPGA 芯片，以提供定制化的硬件加速器或特定领域的性能优化。
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数据中心：一些大型数据中心或云计算服务提供商可能会在其服务器集群中使用 FPGA 芯片，以提供高性能的硬件加速器，用于数据处理、机器学习推理、网络处理等任务。
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科学研究：在科学研究领域，一些高性能计算集群或超级计算机系统可能会使用 FPGA 芯片，用于加速特定的科学计算任务。
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高频交易：在金融领域，一些高频交易系统可能会使用 FPGA 芯片，以实现低延迟的交易执行和数据处理。
虽然 FPGA 在个人电脑主机中的应用相对较少，但在特定的高性能计算、定制化需求或专业应用场景中，它仍然是一种非常有用的工具。
是FPGA性能不足，还是性能过剩？
- 在传统的个人电脑主机中，通常不会直接使用 FPGA 芯片，这主要是因为 FPGA 的使用场景更适合特定的定制化需求和专业应用，而不是一般性的个人计算任务。因此，这并不是性能不足或性能过剩的问题。
- 对于大多数一般用户来说，传统的 CPU 和 GPU 已经足够满足他们的计算需求，而 FPGA 则通常被用于需要定制化硬件加速器、特定领域的高性能计算或专业应用中。所以，这更多是一种技术选型和应用场景的匹配问题，而非性能方面的不足或过剩。
FPGA未来前景？
国内FPGA的未来前景整体上呈现出积极乐观的趋势，主要基于以下几个方面：
1. 政策支持与国产替代：在国家政策的推动下，国产化趋势显著，为国内FPGA厂商提供了广阔的发展空间。随着对自主可控技术需求的增加，国产FPGA厂商有望在政府项目、国防安全、核心基础设施等领域获得更多应用机会，逐渐缩小与国际大厂的差距。
2. 市场需求增长：作为全球主要的FPGA消费市场之一，中国在5G通信、人工智能、云计算、物联网、自动驾驶等多个新兴领域的需求日益增长，为FPGA的应用开辟了新的市场空间。特别是在硬件加速、边缘计算、数据中心等领域，FPGA因其灵活性和高效性而备受青睐。
3. 人才培养与行业需求：教育机构和企业正加强对FPGA相关人才的培养，同时，随着技术社区的壮大和开源文化的推广，一个更为完善的生态系统正在形成，有利于促进技术创新和产业升级。该行业，学历要求和专业性较强，概括而言，大部分职位或特定行业更倾向于招聘拥有硕士及以上学历和电子专业的候选人。
4. 技术进步与创新：随着芯片制造工艺的进步，新一代FPGA正朝着更高性能、高密度、低功耗的方向发展，能够更好地满足复杂应用场景的需求。同时，FPGA与CPU、GPU等处理器的集成能力增强，以及高层次综合工具的成熟，使得FPGA的设计和应用更加便捷高效，降低了开发门槛。
5. 较高成本与长设计周期：相比ASIC和其他固定功能集成电路，FPGA的单位成本较高，且设计和验证过程较为复杂，可能导致更长的产品上市周期。尽管FPGA具有灵活性，但在某些应用中，其能效可能不如专门优化的ASIC，特别是在大规模生产时，能效比和成本效益成为考虑因素。
6. 技术门槛和竞争压力：FPGA设计需要深入的数字电路知识和硬件描述语言技能，需要企业的人力资源成本。国际市场由少数几家大型公司主导，如Xilinx（已被AMD收购）和Intel（通过收购Altera），新进入者面临技术和市场的双重挑战。
综上所述，FPGA的未来前景潜力较大，特别是在新兴技术驱动的市场中，但同时也面临着成本、学历技术门槛、能效较高等劣势，需要持续的技术创新和市场策略来克服这些挑战。