在指令集和微結(jié)構(gòu)方面，專用處理器用的技術(shù)基本上都是在通用處理器發(fā)展過程中探索過的東西。要說專用處理器設(shè)計最為特殊的地方，我個人認為應該是設(shè)計方法（方法學）和工具。專用處理器設(shè)計成功與否完全由目標應用來檢驗，而應用的多樣性也決定了專用處理器的多樣性。這種多樣性不僅反映在軟硬件設(shè)計本身，也反映在設(shè)計方法和工具上。

　　之前我們已經(jīng)看到過上面這幅圖了。應該說這里展示的domain-specific computing的概念既包括了專用處理器（圖中的ASP，Application Specific Processor）設(shè)計和也包括了相應的工具開發(fā)。下面我們就結(jié)合這副圖，把DNN作為一個domain，討論一下專用處理器的設(shè)計方法和各種工具。

　　Domain Modeling

　　首先是對特定領(lǐng)域（domain，比我們說的目標應用的概念要更廣泛一下）進行建模，把需求模型化和量化，作為后續(xù)工作的評價標準。建模可能會使用特殊的語言擴展或者數(shù)據(jù)流圖的形式，比如在DNN領(lǐng)域經(jīng)常使用的Tensorflow就是典型的例子。

　　Domain Model是后續(xù)開發(fā)的基礎(chǔ)，據(jù)此可以得到兩個重要的中間描述：一個是用于硬件架構(gòu)設(shè)計的Domain Characteristics；另一個是用于生成C/C++應用代碼（當然也可能是其它語言）的Application Model。這里的具體名稱并不太重要，重要的是一個domain model需要經(jīng)過處理，分離出指導硬件設(shè)計和生成應用軟件代碼的兩部分信息。

　　HW Architecture design和Architecture Model

　　硬件架構(gòu)設(shè)計的主要工作是設(shè)計專用的計算引擎（Customized Computing Engine）和互連機制（Customized Interconnection）。比如在CNN加速器中比較常見的由PE（Processing Engine）組成的2D mesh網(wǎng)絡(luò)，PE就是專用的計算引擎，2D網(wǎng)絡(luò)就是適應CNN 2D卷積特征的互連機制。

　　硬件架構(gòu)設(shè)計還要輸出一個架構(gòu)模型。而這個硬件架構(gòu)模型也是整個設(shè)計方法中重要的一環(huán)。一方面，這個架構(gòu)模型可以生成虛擬原型系統(tǒng)（Virtual Prototyping）；另一方面，它也是程序代碼映射工具（Source-to-source mapper）的輸入，而代碼映射功能用于將一些特殊的模型轉(zhuǎn)換為C/C++這類傳統(tǒng)的編程語言（這類語言有很好的工具進行處理），同時輸出Analysis Annotations，用于指導硬件設(shè)計和軟件工具鏈的前端設(shè)計。

　　虛擬原型（Virtual Prototyping）

　　我們通常說的Prototyping一般指基于FPGA或者測試芯片（testchip）系統(tǒng)原型，即用于驗證硬件設(shè)計，又可以debug固件，操作系統(tǒng)和應用程序。但是開發(fā)硬件原型系統(tǒng)本身也是一項費時的工作，并且要等等所有硬件設(shè)計完成了才能實現(xiàn)。虛擬原型則是個純軟件的仿真器。最常見的方式是使用SystemC這樣語言（抽象層次更高）來對硬件進行建模，而不是直接使用RTL級的硬件模型。建模的抽象層次提高雖然會損失一些細節(jié)，但好處是開發(fā)便捷（C++編程），仿真速度快。和硬件的原型系統(tǒng)相比，虛擬原型可以在項目開始階段就開發(fā)完成，提供給軟件開發(fā)人員，而不需要等到硬件準備好。最后，虛擬原型是純軟件仿真，很容易debug，也很容易部署。虛擬原型是個有趣的話題，以后有機會可以專門講一下。

　　計算引擎硬件實現(xiàn)

　　這里把計算引擎分為三種：專用處理器（ASP），硬件加速器（HW Accelerators）和可編程陣列（Programing fabric）。前兩種我們都介紹過，第三種的硬件結(jié)果類似于FPGA，差別是這里的邏輯電路陣列也是根據(jù)應用定制的。實現(xiàn)這三類計算引擎可以靠工程師完成，也可以借助專門的工具，比如，High-level Synthesizer（高層次綜合工具，也有叫行為級綜合的）可以把C，systemC甚至Matlab代碼（當然有一定的約束）自動綜合成硬件設(shè)計（RTL代碼）。也有一些工具可以根據(jù)特殊的處理器描述語言，如Synopsys的LISA，NML和RISC-V處理器用的Bluespec等，自動生成RTL代碼。這其實也是ESL（Electronic System Level）級設(shè)計考慮的問題，有興趣的讀者可以自己深入研究。

　　這里插一句，自動生成RTL代碼看起來高大上，實際也沒那么難。記得10年前在SiliconHive（也是一個做專用處理器和工具的公司，后來被Intel收購了）實習做NoC的時候，RTL代碼就是從XML描述里自動生成的。其實就是大家平時形成的好習慣：RTL代碼盡量用腳本生成，積累起來也就成了自己的自動化工具。

　　這之后的工作主要就是將計算引擎和互連機制集成在一起，并且實現(xiàn)硬件的原型系統(tǒng)?；ミB機制的設(shè)計也有很多內(nèi)容，這里就暫不深入了。

　　軟件開發(fā)工具鏈

　　圖的右半部分就是軟件開發(fā)的工具鏈，這個和我們傳統(tǒng)上說的工具鏈基本是類似的，即從C/C++的源代碼，經(jīng)過一系列的工具，生成運行在最終硬件上的機器代碼（可以有很多形式）。工具鏈主要包括，前端（front end）后端（back end）和runtime。這里和通用CPU的工具鏈的主要差別在于back end和runtime，因為這兩部分和硬件架構(gòu)（指令集和微結(jié)構(gòu)）關(guān)系密切。對應專用處理器的硬件，主要體現(xiàn)在customized和adaptive這種特征。

　　不過這里還有一些輔助性的工具，比較典型的比如debuger，就不細說了。

　　總 結(jié)

　　1. 專用處理器雖然特殊，但設(shè)計方法和工具是有普遍性的，這也是研究方法學的價值所在。2. 設(shè)計方法往大說是方法學，但在實際的工程中體現(xiàn)為任務，流程和工具，設(shè)計專用處理器的過程也是優(yōu)化方法學的過程。3. 專用處理器設(shè)計面向應用，往往有比較高的Time to Market要求，因此從架構(gòu)探索到RTL生成到原型驗證，都要盡量利用自動化工具提高設(shè)計的效率，自己設(shè)計小工具并且不斷積累是很好的實踐；4. 采用專用處理器的系統(tǒng)往往是軟硬件緊密協(xié)同的系統(tǒng)，設(shè)計方法上最重要的理念是軟硬件的聯(lián)合優(yōu)化：在設(shè)計硬件的時候充分利用對應用軟件的分析；而在設(shè)計軟件工具鏈的時候也要充分結(jié)合硬件架構(gòu)的特點；Architecture Model和Analysis Annotations就是軟硬件設(shè)計和工具間的橋梁。