FPGA在HFT系统中的深度解析：为什么可重构硬件在低延迟环境中碾压CPU

隐藏在纳秒交易背后的秘密武器

在高频交易（HFT）领域，每一纳秒都是竞争武器。多年来，交易公司通过超频、内核旁路和手工调优的C++网络栈从CPU中榨取性能。但物理定律终究赶上了——在通用处理器上运行的软件遇到了延迟和抖动的瓶颈。

这时FPGA登场了——现场可编程门阵列——这些静默的加速器紧邻交易所服务器，在CPU甚至还没唤醒其缓存行之前，就能消费原始市场数据、过滤、计算并发出订单。

本文将深入探讨FPGA的内部构造——它们与CPU和GPU的区别，内部架构如何工作（CLB、LUT和可编程互连），如何使用Verilog和VHDL等HDL语言“编码”硬件，以及为什么它们已成为金融、电信和AI领域超低延迟系统的支柱。

什么是FPGA？

FPGA本质上是一种可重构集成电路——由数千（或数百万）个称为可配置逻辑块（CLB）的小型可编程单元组成的硅芯片。

每个CLB就像可重复使用的乐高积木，能够执行基本逻辑操作（AND、OR、XOR、加法）。但真正的力量在于组合：这些块可以连接在一起形成完整的流水线、DSP引擎或网络栈——全部在硬件中实现。

与按顺序执行软件指令的CPU或GPU不同，FPGA是硬件定义的。当你“编程”FPGA时，你不是在上传代码——你是在重新配置硅本身。

这就像动态重塑物理电路。

硅片内部：CLB、LUT和互连

让我们打开引擎盖看看。

可配置逻辑块（CLB）

CLB是FPGA的基本计算结构。每个CLB包含：

查找表（LUT）——定义逻辑的微型真值表大脑
触发器（FF）——用于存储中间状态和流水线
多路复用器（MUX）——用于动态选择输入

LUT就像一个硬编码的函数表。例如，一个4输入LUT可以通过预编程16个输出位来表示任何4输入的布尔函数。

如果你是软件工程师，可以把它想象成硅中的哈希映射——为每个可能的输入组合预加载输出。

在这种情况下，LUT的行为类似于异或门。FPGA不是像AND或OR门那样硬连线逻辑函数，而是使用LUT通过存储真值表来模拟行为。这意味着单个LUT可以重新编程以充当小型逻辑函数。

可编程互连

这些是连接CLB之间信号的布线高速公路。FPGA允许你配置哪个CLB连接到哪个CLB，以及以什么方向连接。

这种可重构性赋予了FPGA架构弹性。你实际上是在决定电流如何流过数百万个晶体管——创建定制的硬件数据路径。

FPGA路由结构包括：

决定连接性的开关矩阵
具有不同延迟特性的路由通道
用于同步逻辑的时钟分配网络

当调优良好时，这些路由能够实现确定性的纳秒级信号传播——这在HFT流水线中至关重要。

I/O块（IOB）

FPGA的外环容纳IOB——你的可重构结构与外部世界（网卡、传感器或其他芯片）之间的接口。

每个IOB可以配置为输入、输出或双向，并且可以编程为接收数据、发送数据或保持空闲。它定义电压标准（LVDS、LVCMOS）、驱动强度和时序约束。

对于HFT设置，IOB是10G或25G以太网MAC直接终止的地方——完全绕过软件网络栈。

如何“编码”硬件：HDL、综合和比特流

编程FPGA不像编写C++或Python。相反，我们使用硬件描述语言（HDL），如Verilog或VHDL。

在HDL中，我们描述行为——而不是指令。

例如，这里是描述异或门的Verilog代码片段：

1
2
3
4
5


module xor_gate(
    input wire a, b,
    output wire y);
assign y = a ^ b;
endmodule

这不是供CPU执行的代码——而是电路规范。

当你运行像Vivado（Xilinx）或Quartus（Intel）这样的综合工具时，它们：

将HDL解析为中间网表——逻辑元素和连接的图
将逻辑操作映射到可用的LUT、触发器和DSP块上
根据时序和布局约束路由互连
发出比特流——物理重新编程FPGA结构的二进制配置文件

把综合看作发出硬件而不是机器代码的编译器。

结果：硅片现在字面上变成了你描述的电路。

硬件谱系：CPU vs GPU vs FPGA vs ASIC

要理解FPGA的定位，想象一个在灵活性和性能之间的连续体：

CPU是瑞士军刀——多功能但受缓存、操作系统调度和不可预测延迟的负担。

GPU利用大规模SIMD并行性，但仍在固定执行流水线下运行。

FPGA让你构建自己的流水线——完全并行、时钟精确、确定性和可重构。

ASIC将性能推向物理极限——但以灵活性为代价。一旦制造完成，它们就是不可变的。

为什么FPGA在高频交易中占主导地位

HFT公司在微秒意味着数百万的地方部署FPGA。原因如下：

直接市场数据摄取：FPGA可以在硬件中直接解析交易所数据流（ITCH、OUCH、FIX），速度达10+ Gbps
确定性延迟：没有操作系统中断，没有上下文切换。每个时钟周期都是可预测的
内联处理：数据在连续硬件流水线中被过滤、分析和处理
超低延迟订单执行：订单可以在纳秒内生成和传输
可重构性：策略可以在一夜之间重新编码，而无需制造新芯片——这是相对于ASIC的关键优势

示例：一家领先的自营交易公司用FPGA流水线替换了基于CPU的信号路径（≈10 µs），总往返延迟为250 ns——性能提升了40倍。

这就是看到报价和拥有报价之间的区别。

FPGA还在哪些领域占主导地位

除了交易，FPGA还驱动：

电信回程——用于分组交换和5G信号处理
边缘AI——以硬件效率运行量化神经网络
压缩和加密引擎——加速计算密集型内核

每个领域都受益于相同的原则：确定性、并行性和硬件级控制。

低延迟计算的未来

随着工作负载向异构计算发展，FPGA在软件灵活性和ASIC级性能之间架起了桥梁。

像用于FPGA的OpenCL和高级综合（HLS）这样的新兴框架正在使硬件设计对软件工程师可访问——从C++或Python内核自动生成Verilog。

在交易领域，进化继续朝着混合FPGA-CPU架构发展，其中CPU处理控制和编排，而FPGA在硬件中处理市场数据并执行逻辑。

当延迟预算降至微秒以下时，CPU不是未来——可配置硅才是。

TL;DR——为什么FPGA在HFT中击败CPU

FPGA在硬件中执行逻辑，而不是在软件中
CLB和LUT让你构建定制的并行数据路径
HDL代码描述硬件，而不是指令
比特流动态重新配置硅片
确定性延迟实现纳秒级执行
完美适合HFT、电信和实时AI流水线

在一个速度等于阿尔法的世界里，FPGA是重新定义低延迟计算的秘密武器。

FPGA在HFT系统中的深度解析：可重构硬件如何在低延迟环境中碾压CPU

本文深入解析FPGA在高频交易系统中的应用，详细介绍了FPGA的架构组成、硬件编程方法及其相比CPU的性能优势，包括可配置逻辑块、查找表和可编程互连等核心技术原理。