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问题

使用目前 Altera/Xilinx 最新的 FPGA，其性能可以全速模拟 PS3 吗？

回答
确实，这是一个非常有意思的问题，涉及到 FPGA 的强大计算能力以及对一个历史悠久但性能不俗的游戏主机进行复现的挑战。简单来说，目前 Altera (现在是 Intel PSG) 和 Xilinx (现在是 AMD) 的旗舰级 FPGA，在理论上，是有能力全速模拟 PS3 的绝大部分核心功能的。

但这背后涉及的细节非常复杂，绝非“买一块最新 FPGA 就能跑”这么简单。要做到“全速模拟”，意味着要以 PS3 原生的时钟频率和处理能力来运行其软件，这其中包含了许多技术上的挑战和权衡。

首先，我们得了解 PS3 的核心构成：

PlayStation 3 并非简单的 CPU + GPU 组合，它拥有一个非常独特的“心脏”——Cell Broadband Engine (Cell BE)。这颗芯片堪称当年的一代传奇，它的设计思想非常超前，但也极其复杂：

PowerPC Processor Element (PPE): 这是 Cell BE 的“大脑”，是一个双核 PowerPC 处理器，运行速度在 3.2 GHz。它负责处理操作系统、游戏的主线逻辑、AI 计算以及一些通用的任务。
Synergistic Processing Elements (SPEs): 这是 Cell BE 的“肌肉”和“特种部队”。它一共有 7 个 SPE（但通常只有一个被保留用于系统管理，实际游戏开发能用的是 6 个）。每个 SPE 都是一个高度优化的 SIMD (Single Instruction, Multiple Data) 处理器，拥有 128 位宽的向量寄存器，能够并行处理大量数据，非常适合图形渲染、物理计算、音频处理等并行度高的任务。SPEs 的设计非常独特，它们运行在独立于 PPE 的本地存储器上，数据传输需要通过 DMA (Direct Memory Access) 来完成，这种“八爪鱼”式的设计既带来了巨大的并行吞吐量，也带来了程序员难以驾驭的复杂性。
RSX Reality Synthesizer (GPU): 这是 PS3 的图形处理器，由 NVIDIA 设计，基于 GeForce 7800 GTX 的架构，拥有相当强的图形处理能力。它负责将游戏世界的3D模型渲染成我们看到的画面。
其他协处理器和内存控制器： 还有 XDR DRAM 控制器、GDDR3 显存控制器、I/O 控制器等等，共同构成了 PS3 的完整系统。

再来看看当前 FPGA 的能力：

Intel (Altera) 的 Stratix 10/Agilex 系列，以及 AMD (Xilinx) 的 Versal ACAP 系列，是目前市场上最顶尖的 FPGA 产品。它们拥有：

庞大的逻辑单元 (LEs/ALMs/LUTs): 能够实现非常复杂的逻辑设计。
大量的 DSP 模块: 这些是 FPGA 中专门用于乘法累加等数字信号处理操作的硬件单元，对于浮点运算和向量运算至关重要。
高速收发器: 支持 PCIe、DDR4/5 等高速接口，可以连接外部高速存储器和外设。
嵌入式 ARM 处理器 (HPS): 许多高端 FPGA 都集成了 ARM CortexA 系列处理器，可以作为控制核心，但这不是我们模拟 Cell BE 核心的重点。
“软”核和“硬”核 IP: FPGA 厂商提供了各种可配置的处理器核心（如 RISCV、ARM 的各种 IP）和专用的硬核 IP，如 PCIe 控制器、DDR 控制器等，这些可以用来构建整个系统的框架。

全速模拟 PS3 的挑战在哪里？

1. Cell BE 的复杂性与并行性：
SPEs 的架构： SPEs 的 SIMD 架构和内存模型（本地存储器 + DMA）与传统的 CPU 核心截然不同。要用 FPGA 的 LUTs 和 DSPs 来“重新实现”SPE 的功能，需要进行大量的逻辑设计，并且要精确模拟其指令集、流水线、缓存行为以及 DMA 控制。
指令集和微架构： Cell BE 的指令集和微架构相当独特，尤其是 SPEs 的向量指令。将这些指令映射到 FPGA 的逻辑资源上，并保证其指令吞吐量和延迟，是巨大的挑战。
时钟和同步： Cell BE 的多个处理单元（PPE, SPEs, GPU）需要协同工作，它们的时钟域和同步机制非常复杂。在 FPGA 上精确地复制这些同步和通信机制，避免时序违规，是一个巨大的工程。

2. RSX GPU 的模拟：
高度并行化的图形管线： GPU 本身就是一个高度并行化的处理器，尤其是在处理顶点、像素、纹理等方面。模拟 RSX 的全部功能，包括其顶点着色器、像素着色器、光栅化、纹理单元等，需要将 NVIDIA 的复杂 GPU 架构“软化”到 FPGA 中。这涉及大量的图形管线逻辑、材质处理、光照模型等等。
兼容性： 模拟的是 PS3 平台上的 GPU，这意味着你需要模拟其具体的图形 API（如 GCM、NGL）以及驱动程序。

3. 内存系统：
XDR DRAM 和 GDDR3： PS3 使用了高速但相对复杂的 XDR DRAM 作为主内存，以及 GDDR3 作为显存。在 FPGA 上接入和控制这些高速存储器，并模拟它们的时序和访问模式，需要非常精密的 DDR 和 XDR 控制器 IP，以及与之匹配的高速接口。
内存带宽和延迟： Cell BE 的设计非常依赖于高带宽和低延迟的内存访问，尤其是 SPEs 通过 DMA 访问内存。在 FPGA 上复现这一点，需要精心设计的内存控制器和总线结构。

4. 外设和 I/O：
PS3 的各种接口： USB、HDMI、AV 接口、SATA、蓝牙、WiFi 等等。虽然 FPGA 厂商提供了很多通用的接口 IP，但要模拟 PS3 特有的硬件接口，并保证其功能和时序的兼容性，依然需要大量的开发工作。

5. 软件（操作系统和游戏）：
BDM (Bluray Disc Media) 和硬盘： 运行 PS3 游戏需要读取光盘内容或硬盘上的数据。模拟这些存储设备的接口和数据读取协议。
BIOS/Firmware： PS3 有一套自己的启动固件。
兼容性： 最关键的，是将 PS3 的原生操作系统 (GameOS) 以及大量的 PS3 游戏移植到这个 FPGA 模拟环境中运行。这意味着需要模拟 PS3 的底层硬件，让软件能够“认为”它运行在一个真实的 PS3 上。

目前的 FPGA 能做到什么程度？

核心处理单元的逻辑实现： 理论上，像 Versal Prime/UltraScale+ 或 Stratix 10/Agilex 系列这样的高端 FPGA，其庞大的逻辑资源和高速 DSP 模块，有潜力在逻辑层面实现 Cell BE 的 PPE 和 SPEs 的核心指令集和大致架构。 它们可以通过高度并行化的逻辑和 DSP 模块来模拟 SPEs 的 SIMD 计算能力。
GPU 的部分功能： 模拟 RSX GPU 的一些核心功能，如顶点处理、部分像素处理，也是有可能的。但要实现完整的、高性能的 RSX 模拟，会非常困难。
内存控制器和接口： 通过配置 FPGA 厂商提供的 DDR/PCIe 等 IP 核，以及自行设计一些定制的内存控制器，可以实现对高速存储器的访问。

“全速模拟”的难度分析：

性能瓶颈： 即使是顶级的 FPGA，其核心时钟频率通常也比专用的 ASIC（如 PS3 的 Cell BE 芯片）要低。而且，FPGA 的逻辑资源是共享的，实现复杂的处理器核心会消耗大量资源，导致很多操作无法并行，或者需要降频运行。
功耗和散热： 驱动大量逻辑单元和高速接口，会让 FPGA 消耗巨大的功耗，对散热提出极高的要求，而且可能会限制其运行频率。
资源限制： 尽管最新的 FPGA 资源巨大，但要“完整复现”一个复杂的 ASIC 芯片（如 Cell BE + RSX + 其他控制器），可能会耗尽 FPGA 的所有资源，或者在某些关键资源（如 DSP 块、RAM 块）上达到极限，难以保证所有功能都能以最佳状态运行。
时序收敛： 在 FPGA 上实现复杂的数字逻辑，需要进行极其精细的时序分析和优化，以确保所有信号都能在正确的时钟周期内到达目的地。这对于模拟 PS3 这样多处理器、多时钟域的系统来说，难度呈指数级增长。
软件适配： 即使硬件模拟器（FPGA 实现）基本完成，让 PS3 的操作系统和大量游戏在上面流畅运行，还需要大量的软件层面的适配和调试工作。这涉及到模拟器的精度，以及对 PS3 软件的深入理解。

总结一下：

是的，从理论和硬件能力上看，目前 Altera/Xilinx 的最新高端 FPGA，确实具备在逻辑上实现 PS3 核心处理单元（Cell BE 的 PPE 和 SPEs）和 GPU (RSX) 的大部分功能的能力，并且可以驱动高速内存和外设，构建一个“硬件层面”的 PS3 模拟器。

但是，要实现“全速模拟”——即以 PS3 原生时钟和性能来运行其软件——其难度依然是巨大的，远远超出了简单地“实现逻辑”的范畴。 这需要：

1. 极其高超的 FPGA 设计和验证技术： 能够精确地复制 Cell BE 的微架构、指令集、内存模型以及 RSX 的图形管线。
2. 大量的开发时间和资源投入： 这种项目通常需要一个经验丰富的团队花费数年时间来完成。
3. 在性能、资源和功耗之间做出艰难的权衡： 即使是顶级的 FPGA，也可能无法在所有方面都达到 PS3 原生的性能水平，或者需要特殊的优化和降频。

目前，社区中确实有一些非常有影响力的 PS3 模拟器项目（如 RPCS3），它们主要是在高性能 PC 上通过软件模拟的方式来实现，但这已经是相当困难的任务了。如果将其目标转向 FPGA，其难度同样巨大，并且 FPGA 的设计周期和调试过程与软件模拟又是另一套体系。

所以，与其说是“直接买一块 FPGA 就能全速模拟”，不如说是“利用最新 FPGA 的强大潜力，理论上可能构建出能够全速模拟 PS3 的硬件模拟器，但这个过程充满挑战，需要极高的技术壁垒和巨大的投入。”

这就是为什么目前还没有看到一个成熟的、能在 FPGA 上全速模拟 PS3 的项目广泛公布的原因。不过，这并不排除未来有人能够克服这些困难，实现这一令人惊叹的目标。FPGA 的灵活性和强大能力，确实为这类“逆向工程”和“硬件复刻”提供了无限可能。

网友意见

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2016-10-18 更新
最近再上advance computer architecture，之前做的基本上都是application-based的应用，对通用处理器架构没什么接触，上了这门课程之后逐渐对microarchitecture有了深入的理解。
对这个问题也产生了新的思考，对之前肯定的答案有所保留。

之前的答案主要是从计算能力（特别是浮点计算能力）上进行分析，考虑通过资源换速度的方式来用FPGA等效高频的通用处理器和浮点处理器，这本质上相当于通过并行处理来替换串行处理（虽然现代处理器基本上都是superscalar OOO架构处理器，但和FPGA这种并行相比并行程度还是很低，浮点处理器GPU并行程度要高于CPU，但仍会低于FPGA），这里能够实现并行化有一个非常重要的前提，那就是程序是否有足够多的parallelism，在architecture里面对应一个很重要的概念就是ILP(instruction level parallelism)，从70年代到90年代有很多在ILP上的研究，对ILP的争论从1.58-90，甚至上千。其中一些很有意思的idea推动了microarchitecture的发展（cache, branch predictor, compiler, superscalar, OOO这些都是现代processor重要部分），然而ILP同样还和程序本身的workload有重要的关系，也就是程序本身是否有足够的并行程度，或者说程序自身运算和控制逻辑是否有足够的independency，如果控制逻辑和计算逻辑有大量的前后依赖关系（dependency），那么程序肯定没有足够的ILP，即便运算资源再多也无法实现并行处理。

回到本题FPGA能够用资源优势去实现PS3甚至PS4的一个重要前提是跑在PS3上面的软件（操作系统加游戏，或者更抽象一些不一定要有操作系统就是最终能将游戏运行出来的任务）是否有足够的ILP？这个我没有做过游戏，还真回答不出。

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2016-07-31 更新
这里根据评论区 @oz01 的指正，增加了对PS3 GPU浮点运算能力的相关说明。

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这个问题对我来说很有意思。因为今天之前我从来没有仔细了解过PlayStation，对游戏机的认识也还停留在红白机阶段（捂脸），今天看到这个问题，简单搜索了一下PS3，赫然发现接近250GFLOPS的浮点运算能力，闲置时进行蛋白质折叠效应的科学计算。这显然已经超出了人们对一般电子消费品的认识。
下面我们来详细分析分析楼主的问题，FPGA是否可以全速模拟PS3。

1，运算能力

这里我们首先来了解一下PS3处理器架构。

PS3采用cell微处理器，由一个主频3.2GHz的PowerPC架构的处理单元PPE(power processing element)和6个浮点协处理单元SPE(Synergistic Processing Elements)构成。本身cell处理器有8个SPE单元，除了上述的6个外，第七个负责操作系统和安全方面的运算，第八个由于良率原因屏蔽。

上述文字来源PlayStation 3 technical specifications，此外还有一个NVIDIA G70架构的GPU，这里GPU主要提供极高的存储带宽，并没有显示提供浮点运算能力。注：这里对GPU架构了解不多，仅参考维基百科给出的参数。根据评论区@oz01的指正，这里PS3的GPU-RSX也担负着很多的浮点运算需求，这里主要包含图形渲染处理，在GPU中主要以shader运算衡量计算能力，根据文章PS3的GPU-RSX纯技术分析的计算公式，PS3的RSX浮点运算能力约为400.4GFLOPS.
对于PS3来讲核心的运算能力是浮点运算能力，主要计算能力由cell处理器给出，cell处理器实际上是一个异构处理器，根据specification可知其单精度浮点运算能力为230.4GFLOPS，等效双精度浮点运算能力15GFLOPS.
综上，整个PS3的浮点运算能力约为631GFLOPS.

下面对应的我们再来看一下，Xilinx/Altera最新FPGA的浮点运算能力。

本图摘自Xilinx官网DSP，我们核心关注最大浮点运算能力，这里图中给出的3个系列的FPGA均超过了631GFLOPS，两个系列FPGA远远超过了该数值。图中还有一个最新的ultrascale+ MPSOC系列的数据没有给出单精度浮点运算能力为1333GFLOPS.当然这里图中给出的应该是该系列FPGA中最大规模的片子对应的处理能力。

下面再来看一下当初产品发布时轰动一时（虽然现在还没量产）的Altera Stratix10的技术指标。

从图中看出，Altera直接使用了TFLOPS为单位，也就是说Stratix10的FPGA全系列单精度浮点运算能力都超过了1000GFLOPS.
从数据结论上，单片FPGA的浮点运算能力足够支持PS3运算需求。

2，内存接口能力
根据ps3_百度百科PS3住内存容量256MB，绘图内存容量256MB，主内存带宽25.6GB/s，绘图内存22.4GB/s。
对于FPGA来讲，相对通用处理器最大优势之一就是其借口能力。Altera和Xilinx最新一代的FPGA基本都支持DDR4内存接口，可以达到2400MHz的时钟外频，也就是说32位内存总线即可达到25.6GB/s的内存带宽，因此挂两片内存颗粒即可满足PS3系统内存需求。

3，外部接口能力
PS3支持BD,DVD,CD等存储介质，包含千兆以太网，WIFI，蓝牙等接口。
对于FPGA来讲，这些都是小意思，即便小容量的FPGA也完全有支持上述全部接口的能力，还是那句话，FPGA相对通用处理器接口能力是优势。

4，系统架构分析

说完了一些技术指标，其实都是纸面上的东西，如果真正要用FPGA去模拟PS3，核心还是系统架构的设计，或者说用什么样的硬件架构，软件接口来实现PS3的功能。

我们首先看硬件架构，

PS3的cell处理器，他包含一个PowerPC架构的通用处理器来跑操作系统，实现一些控制，调度的功能，核心的浮点运算应该在6个协处理器上实现，显示方面由显存和显卡负责。

对应FPGA，实际上可以从硬件上克隆这种架构，现在最新架构的FPGA基本上都带有硬核（叫做FPGA SOC），比如Xilinx的ultra+mpsoc，Altera的Stratix10和Arria10 FPGA SOC都有硬嵌4个ARM A53核心，有的还包含GPU单元。此外，纯FPGA也可通过microblaze或者nios II软核来实现通用处理器的功能（当然这里处理能力可能达不到PS3的需求）。这部分可以等效替代PowerPC架构的处理器，然后利用FPGA大量的片内资源（主要是DPS资源）来实现浮点协处理器单元，根据第一部分的运算能力估算，等效6-8个相同运算能力的协处理不成问题。这种方案可以看作完全模仿PS3的cell处理器架构。

除了上述方案，其实还可以有更开放的实现架构，FPGA的优势是分布式的海量的逻辑资源，因此可以不局限于6个协处理器的架构，可以充分利用FPGA并行运算的优势，采用更扁平化的架构对FPGA逻辑资源或者说浮点运算单元进行抽象。这样可能原来PS3需要大量顺序处理在FPGA新的实现架构上可以直接并行处理，一定程度上个可以削减CPU的调度逻辑和一些应用的实现复杂度，从而减少CPU的负荷。总而言之，在不考虑软件接口这一层面的东西时，FPGA在硬件架构上可以带来很大的想象空间。

当然软件接口是非常重要的一方面，因为可能对整个系统来讲绝大部分工作都是在软件上面实现。通常从底层硬件到应用层软件的层次结构如下：


PS3在PowerPC的CPU上面跑的系统内核内核，针对其游戏相面的应用应该还有一些独特的多媒体相关的东西。
对于上述两种FPGA硬件架构实现方案，从软件接口实现难度上来讲还是第一种更为容易一些，因为他就相当于在FPGA上实现一个cell处理器，软件上可以尽量兼容，对于ARM A53架构处理器已经在手机等移动设备上大量使用，因此一定有大量的软件资源可以直接使用，只要将FPGA片内资源尽可能的做的和cell的些处理单元兼容就可以在软件接口上节约大量的工作。当然由于FPGA没有ASIC那么高的主频，因此从实现角度上会存在大量资源换速度的情况，因此接口上不能做到完全的一致，但是理论上可以做到上层应用完全兼容。
对于第二种更加开放的硬件架构可能在软件接口实现上就很难做到兼容了，这就意味着大量软件接口需要重新设计，在操作系统这一层可以给出更加丰富的API供应用层使用，实现复杂度和难度也会提升，但实际上并没有什么太大意义。

5，最后我们看一看价格
PS3 06年上市，现在我查amazon基本上是200-300刀的价格，上市价格还请资深玩家给出。而对于Altera/Xilinx的高端FPGA，能达到PS3性能需求的官网报价应该都在大几千刀，实际市场价也绝对在千刀以上，这还只是一个处理器的价格，而作为产品是包括各种外设，电路板，包装等等。
所以说用FPGA来模拟PS3别的不说，绝对是一件很贵的事情。

PS3毕竟是10年前的产品了，而相应比较的FPGA基本上都是这几年的产品（有的仍未量产），我们可以再来看看13年上市的PS4的一些技术指标，PS4主要浮点运算能力在GPU上，达到1.8TFLOPS，内存为一块8GB GDDR5共享内存，存储带宽176GB/s，单从性能指标上来看理论上还是有单片FPGA可以支持的，但是实际上由于时间比较近ASIC的性能优势巨大，可能需要FPGA很多资源去换速度上的性能，因此成本和实现难度也会大大提升。

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