效率提升50倍!采用相同的C语言程序,28纳米FPGA跑3D光线追踪游戏轻松击败7纳米x86!

原创 EETOP 2022-09-29 12:23

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。

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 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 45WR7 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"。

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