以下文章來源于OpenFPGA，作者碎碎思

——來自 Shinshu University 的最新設(shè)計(jì)揭示低位寬算術(shù)硬件化的新途徑

原標(biāo)題：Hardware-Efficient Accurate 4-bit Multiplier for Xilinx 7 Series FPGAs

隨著 IoT、邊緣計(jì)算等應(yīng)用對低位寬、高并行、高效率算術(shù)運(yùn)算的需求攀升，基礎(chǔ)算術(shù)電路，如 4 位乘法，如何在 FPGA 上做到“資源最小化＋速度極致”便成為一道新的挑戰(zhàn)。來自日本信州大學(xué)（Shinshu University）研究團(tuán)隊(duì)的最新設(shè)計(jì)中，一個(gè)專為 Xilinx 7 系列 FPGA 量身打造的 4 位乘法器使用了僅 11 個(gè) LUT + 2 個(gè) CARRY4 塊，關(guān)鍵路徑延遲達(dá)到 2.75 ns。這是一次令人印象深刻的工藝優(yōu)化實(shí)踐。

核心成果概括

設(shè)計(jì)使用了 Xilinx 7 系列 FPGA 的 LUT-和-CARRY4 硬件結(jié)構(gòu)。

只有 11 個(gè) LUT + 2 個(gè) CARRY4 模塊即可實(shí)現(xiàn)功能。

關(guān)鍵路徑延遲僅為 2.750 ns。

通過重組 LUT 內(nèi)邏輯函數(shù)、使用 LUT6_2 模式（5 輸入、2 輸出）優(yōu)化資源和速度。

專用于 Xilinx 7 系列，尚未驗(yàn)證其他 FPGA 架構(gòu)。

為什么值得關(guān)注？

低位寬算術(shù)仍然重要：即便是 4 位乘法，在很多應(yīng)用（如量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、加速器內(nèi)部更細(xì)粒度模塊）里都是性能瓶頸。資源與延遲的極致優(yōu)化能帶來更高并行度。

研究者還精心設(shè)計(jì)了 CARRY4 的集成方式。CARRY4 是 FPGA Slice 中專用于快速進(jìn)位計(jì)算的硬件結(jié)構(gòu)，其延遲遠(yuǎn)低于使用 LUT 構(gòu)建的等效邏輯，因此能夠顯著加速運(yùn)算。設(shè)計(jì)通過利用相鄰 Slice 之間 CARRY4 的硬連線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無瓶頸的長進(jìn)位鏈。

LUT + CARRY4 混合使用展示 FPGA 原語優(yōu)化潛力：研究利用 CARRY4 快速傳遞進(jìn)位鏈、使乘法結(jié)構(gòu)更緊湊。

資源 vs 延遲雙向優(yōu)化：減少 LUT 數(shù)量的同時(shí)，還縮短了延遲，實(shí)屬少見。

可為各種低位算術(shù)構(gòu)件設(shè)計(jì)提供參考：包括加法器、累加器、量化乘法器、低精度加速模塊等。

設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)

LUT6_2 模式：在 Xilinx 7 系列中，LUT6_2 提供 5 輸入 + 2 輸出的功能，研究正是利用這一結(jié)構(gòu)最大化邏輯密度。

CARRY4 模塊：專門用于進(jìn)位鏈，延遲低、資源優(yōu)勢明顯。關(guān)鍵路徑中將乘法中 “累加部分” 的進(jìn)位傳遞交給 CARRY4。

邏輯重組：將傳統(tǒng)乘法展開的邏輯組合優(yōu)化，減少 LUT 層級并合理安排路徑，使得關(guān)鍵路徑延遲縮短。

驗(yàn)證與測試：對所有輸入組合進(jìn)行窮舉仿真，確保功能正確。然后在 FPGA 上測量延遲/資源，與其它方案對比。

限制與思考

本設(shè)計(jì)專用于 Xilinx 7 系列，不保證直接遷移到其他系列或廠商 FPGA。

雖優(yōu)化效果顯著，但 4 位乘法的位寬較低，實(shí)際系統(tǒng)中還需考慮數(shù)據(jù)寬度、流水線結(jié)構(gòu)、并行度、資源共享等。

面向更高位寬（8 bit、16 bit）時(shí)，邏輯復(fù)雜度、布線擁塞、時(shí)鐘域問題等挑戰(zhàn)明顯增加。

在實(shí)際產(chǎn)品中，除了邏輯與延遲，功耗、可靠性、可測試性、資源可重用性等也需考慮。

應(yīng)用建議

若你正在做 量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器（如 4 位/8 位乘加），該設(shè)計(jì)思想可用于內(nèi)核優(yōu)化。

在 FPGA 資源緊張的場景下（如低功耗、邊緣設(shè)備），可考慮借鑒 LUT＋CARRY 優(yōu)化策略。

在教研/教學(xué)中，該設(shè)計(jì)是“低位寬算術(shù)優(yōu)化”的優(yōu)秀案例，可用于學(xué)生項(xiàng)目或課程設(shè)計(jì)。

如果你使用 Xilinx 7 系列 FPGA，可嘗試基于此設(shè)計(jì)搭建自己的低位乘法核，再擴(kuò)展到加法、累加器、矩陣乘法模塊。

文章鏈接

https://arxiv.org/abs/2510.21533