什么是FPGA 虚拟化技术？_问答-阿里云开发者社区

将 FPGA 的高性价比算力通过云输出，使得 FPGA 的算力普惠化、平民化，这是 FPGA as a Service 的核心出发点和立足点。同时，云上使用 FPGA 与 FPGA 的传统使用方式也有着非常大的区别。FPGA as a Service 的核心就是 FPGA 虚拟化技术。

目前 FPGA 虚拟化技术还在发展初期，近几年随着云计算和 AI 技术的发展，才逐渐成为工业和学术领域研究的热点。关于 FPGA 虚拟化技术的介绍文献也比较少，关于 FPGA 虚拟化技术的发展历史，目前比较全面的总结可以参考 2018 年由 Manchester 大学学生发表的一篇 IEEE 论文A Survey on FPGA Virtualization，文中提到早在 2004 年由 Plessl 和 Platzner 发表的一篇论文Virtualization of Hardware- Introduction and Survey 中提到过 FPGA 虚拟化技术的概念，将 FPGA 虚拟化技术分为时域划分(Temporal Partitioning)、虚拟化执行(Virtualized Execution)和虚拟机(Virtual Machines)三种。

时域划分早期主要解决设备容量问题，是将大规模的应用设计拆分为几个小设计，然后将每个设计烧写在单个 FPGA 上顺序执行。时域划分技术如图 3-35 所示，主要包括网表划分、数据流图划分和 CDFG 划分。随着数据量和计算复杂度的增加，单片 FPGA 已经无法满足一个应用的需求，需要多片 FPGA 并行完成，虚拟化技术逐渐打破了时间和空间维度的限制，就像大型数据中心的应用场景:多片 FPGA 并行执行同一个任务，并可以及时切换到下一个任务。

虚拟化执行是把一个应用分成几个有关联的任务，并通过一个抽象层来管理和调度它们，其目的是在一定程度上实现设备无关性(Device Independence)，从而解决资源管理和安全隔离问题，还可以提高开发效率，比较典型的例子是“PipeRench”项目，此项目成功研发了“Kilocore”芯片，它内置了一个 PowerPC 处理器，实现了硬件虚拟化，并可以动态配置，从而解决 FPGA 的资源限制问题。

虚拟机通过一个抽象架构来描述应用从而彻底实现设备无关性。起初，虚拟机的概念用来表示 FPGA 的静态架构，譬如 Shell 或者 vFPGA 的 Hypervisor，并不是我们现在理解的虚拟机概念。现在的 FPGA Overlay 技术是应用比较广泛的 FPGA 虚拟化方法之一，它是位于 FPGA 硬件层之上、并连接顶层应用的虚拟可编程架构，实现了对 FPGA 底层硬件资源的抽象化和虚拟化。FPGA Overlay 的具体实现方式有很多种，这里不详细介绍，其主要目的是为上层用户提供他们熟悉的编程架构与接口，比如通过 C 语言等高层语言对 Overlay 中的通用处理器等进行编程，而无须担心具体的硬件电路实现，这点类似 HLS。Overlay 实现了 FPGA 的硬件无关性，便于应用设计在不同 FPGA 架构间移植。另外，用户可以选择只编译自己改动的逻辑部分，在很大程度上缩短了 FPGA 的编译时间，也方便对应用进行调试和修改。但是在实际开发中，由于其引入的 Overlay 层并不能完全隐藏 FPGA 结构，而且此技术没有业界统一标准，所以会来带额外的开发难度和成本。