25歲的FPGA，如何面向邊緣AI未來？

首發(fā)于1998年的Spartan FPGA系列，不僅推動(dòng)了我們?nèi)粘Ｋ眉夹g(shù)的進(jìn)步，更取得了諸多突破性進(jìn)展。不論是醫(yī)療領(lǐng)域的自動(dòng)體外除顫儀、手術(shù)機(jī)器人等，還是宇宙探索中被用于打造火星探測(cè)儀……在多個(gè)行業(yè)和市場(chǎng)應(yīng)用中不斷延續(xù)著影響力和創(chuàng)新力。

一款芯片產(chǎn)品線如何做到經(jīng)久不衰、如此受推崇？日前，AMD 自適應(yīng)和嵌入式計(jì)算事業(yè)部成本優(yōu)化型芯片營銷高級(jí)經(jīng)理Rob Bauer，在接受<與非網(wǎng)>等媒體采訪時(shí)說出了其中的奧義：“因?yàn)槲覀儼押芏嗲罢暗漠a(chǎn)品特性跟小型化器件的尺寸規(guī)格、較低的密度和較優(yōu)化的成本進(jìn)行了出色的結(jié)合?？v觀整個(gè)市場(chǎng)板塊，其實(shí)對(duì)于成本優(yōu)化型FPGA和成本優(yōu)化型解決方案有非常多的趨勢(shì)，推動(dòng)我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域里不斷投資?！?/p>

AMD 自適應(yīng)和嵌入式計(jì)算事業(yè)部成本優(yōu)化型芯片營銷高級(jí)經(jīng)理 Rob Bauer

Rob Bauer認(rèn)為三大趨勢(shì)正在推動(dòng)成本優(yōu)化型FPGA的未來創(chuàng)新：

首先是邊緣連接設(shè)備與傳感器的爆炸式增長。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2022年至2028年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將增加2.3倍，這將極大推動(dòng)市場(chǎng)對(duì)更高更通用I/O數(shù)量，以及邊緣側(cè)更安全解決方案的需求。

其次，全球設(shè)計(jì)工程師越來越稀缺。IBS預(yù)測(cè)缺口約為30%，而短缺不可能在短時(shí)間內(nèi)彌補(bǔ)，現(xiàn)階段只能最大限度提高開發(fā)人員的效率。

第三是對(duì)供應(yīng)鏈穩(wěn)定性和生命周期的持續(xù)需求。工業(yè)等市場(chǎng)生命周期超過15年，而供應(yīng)商的選擇是決定項(xiàng)目投資回報(bào)率的關(guān)鍵，他們需要在很長的時(shí)間內(nèi)保持產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

專為成本敏感型邊緣應(yīng)用打造的AMD Spartan UltraScale+ 系列

基于對(duì)這些最新趨勢(shì)的判斷，AMD最新推出了Spartan FPGA系列的第六代產(chǎn)品，也就是Spartan UltraScale+ FPGA，它作為AMD成本優(yōu)化型FPGA和自適應(yīng)SoC產(chǎn)品組合的最新成員，針對(duì)成本敏感型邊緣應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可提供高數(shù)量I/O和靈活的接口，令FPGA能夠與多個(gè)器件或系統(tǒng)無縫集成并高效連接，以應(yīng)對(duì)傳感器和連接設(shè)備的爆炸式增長。

在基于28nm及以下制程技術(shù)構(gòu)建的FPGA領(lǐng)域，Spartan UltraScale+ FPGA系列提供了有競(jìng)爭(zhēng)力的I/O邏輯單元比，具備多達(dá) 572個(gè)I/O和高達(dá)3.3 伏的電壓支持，可為邊緣傳感和控制應(yīng)用實(shí)現(xiàn)任意連接。16nm架構(gòu)和對(duì)各種封裝的支持(小至10x10毫米)以超緊湊的占板空間提供了高I/O密度。

面向未來的功能優(yōu)化

通過16nm FinFET技術(shù)和硬化連接，相較于28nm Artix 7系列，Spartan UltraScale+系列預(yù)計(jì)可降低高達(dá)30%的功耗。Rob Bauer強(qiáng)調(diào)，16nm FPGA制程工藝在業(yè)界被認(rèn)為非常成功，同時(shí)也是非常推崇的制程工藝，在這個(gè)基礎(chǔ)上，他們有信心長期制造和提供16nm FPGA產(chǎn)品應(yīng)用組合，以及支持長生命周期。

同時(shí)，作為首款搭載硬化LPDDR5內(nèi)存控制器和8個(gè)PCIe Gen4接口支持的Spartan UltraScale+ FPGA，該系列在整個(gè)互聯(lián)工藝效能方面有高達(dá)1.9倍性能提升，能為客戶同時(shí)提供功率效率與面向未來的功能。

靈活的I/O接口是Spartan UltraScale+的一大特色。

據(jù)AMD自適應(yīng)和嵌入式計(jì)算事業(yè)部FPGA成本優(yōu)化型產(chǎn)品組合產(chǎn)品線經(jīng)理Romisaa Samhoud介紹，在低密度端，該產(chǎn)品展現(xiàn)出了極高的I/O與邏輯單元比率，這對(duì)于I/O的擴(kuò)展、電路板的管理以及膠合邏輯都是至關(guān)重要的。

AMD自適應(yīng)和嵌入式計(jì)算事業(yè)部FPGA成本優(yōu)化型產(chǎn)品組合產(chǎn)品線經(jīng)理
Romisaa Samhoud

以數(shù)據(jù)中心為例進(jìn)行分析，該環(huán)境的服務(wù)器包含眾多元器件，如CPU、GPU以及電源和散熱管理系統(tǒng)。除了依賴基板管理控制器外，Spartan UltraScale+還提供了出色的板上元器件統(tǒng)一管理功能。這確保了功耗、散熱及周邊設(shè)備能夠按照預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)高效運(yùn)行。

在高密度端，該產(chǎn)品不僅提供了多樣化的I/O選擇，還具備極高的靈活性，支持任意連接。這對(duì)于傳感器和控制應(yīng)用來說極為有利。特別是在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，由于機(jī)器人集成了大量傳感器、攝像頭、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，Spartan UltraScale+ FPGA的這些功能成為了確保各組件協(xié)同工作的關(guān)鍵。

邊緣應(yīng)用的功耗要求比較嚴(yán)苛，因此這也是Spartan UltraScale+ FPGA系列的優(yōu)化重點(diǎn)。

Romisaa Samhoud介紹，首先，在低密度器件上采用了16nm工藝，這一工藝的應(yīng)用使得總功耗降低多達(dá)30%。對(duì)于集成硬化IP的大型器件，同樣可以實(shí)現(xiàn)接口連接功耗降低60%的顯著效果。

具體而言，如果以PCIe或DDR上每比特傳輸?shù)目偣淖鳛槟苄У暮饬繕?biāo)準(zhǔn)，與上一代28nm技術(shù)相比，Spartan UltraScale+ FPGA系列產(chǎn)品能夠進(jìn)一步提高功耗的節(jié)約效果。

此外，新產(chǎn)品的整體互聯(lián)工藝效能方面也取得了提升，大約1.9倍的架構(gòu)性能提升。這意味著客戶在運(yùn)行設(shè)計(jì)時(shí)能夠擁有更高的時(shí)鐘頻率，可以節(jié)約相關(guān)資源，使得設(shè)計(jì)能夠在更小型的卡和器件上開展，從而實(shí)現(xiàn)功耗的節(jié)約。

下圖展示了兩款設(shè)計(jì)實(shí)例：

同樣面對(duì)200個(gè)I/O的器件設(shè)計(jì)，采用Spartan UltraScale+ FPGA系列將比現(xiàn)行的28nm Spartan 7S50產(chǎn)品獲得更小的面積；如果采用軟DDR內(nèi)存控制器、3萬或5萬個(gè)邏輯單元的設(shè)計(jì)，采用Spartan UltraScale+ FPGA系列時(shí)，客戶的設(shè)計(jì)可以完全放在SU55P這樣的規(guī)格上，從而節(jié)約整個(gè)架構(gòu)的空間及成本。

Spartan UltraScale+ FPGA系列還擁有領(lǐng)先的安全功能，主要體現(xiàn)在三方面：

• 保護(hù) IP：支持后量子密碼技術(shù)并具備獲 NIST 批準(zhǔn)的算法，能提供先進(jìn)的 IP 保護(hù)，抵御不斷演進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)攻擊和威脅。物理不可克隆功能會(huì)為每個(gè)器件提供唯一指紋，以提升安全性。
• 防止篡改：PPK/SPK 密鑰支持有助于管理過期或受損安全密鑰，而差異化功率分析則有助于防止側(cè)信道攻擊。器件包含永久性篡改懲罰，以進(jìn)一步防止誤用。
• 最大限度延長正常運(yùn)行時(shí)間：增強(qiáng)的單事件干擾性能有助于客戶進(jìn)行快速、安全配置，并提升可靠性。

開發(fā)工具方面，AMD FPGA和自適應(yīng)SoC全產(chǎn)品組合由AMD Vivado設(shè)計(jì)套件和Vitis統(tǒng)一軟件平臺(tái)提供支持，使硬件與軟件設(shè)計(jì)人員能夠通過一款設(shè)計(jì)人員環(huán)境進(jìn)行從設(shè)計(jì)到驗(yàn)證，充分利用這些工具及所包含IP的生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì)。

“為了真正賦能客戶，我們不僅要提供貼合應(yīng)用場(chǎng)景的產(chǎn)品特性，還需要配備相關(guān)工具，使開發(fā)人員能夠輕松上手并提高工作效率。在軟件行業(yè)中，客戶面臨的學(xué)習(xí)曲線問題是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。由于供應(yīng)商和工具的多樣性，客戶往往需要投入大量時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)和適應(yīng)。因此，我們的目標(biāo)是為客戶提供一套單一、統(tǒng)一的工具，這套工具能夠適用于所有產(chǎn)品組合和整個(gè)設(shè)計(jì)流程，從而顯著降低客戶的學(xué)習(xí)成本”， Romisaa Samhoud表示。

通過Vivado工具套件，開發(fā)人員只需要學(xué)會(huì)使用一套工具，就能夠保持高效的工作狀態(tài)。此外，Vivado工具套件還具備計(jì)件時(shí)序模型等功能，能夠滿足嚴(yán)格的時(shí)序要求，并在不同工藝、電壓和溫度條件下為客戶提供所需的使用效果。在安全性方面，Vivado的設(shè)計(jì)也達(dá)到了非常高的功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)然，作為一款端到端的設(shè)計(jì)工具，Vivado工具套件同時(shí)為客戶提供專用單一供應(yīng)商來源的支持。這意味著客戶只需一次學(xué)習(xí)，就可以將所學(xué)應(yīng)用于多個(gè)產(chǎn)品中。這種集成和整合的思路不僅簡(jiǎn)化了客戶的學(xué)習(xí)過程，還提高了工作效率和靈活性。

據(jù)了解，AMD Spartan UltraScale+ FPGA系列樣片和評(píng)估套件預(yù)計(jì)于2025年上半年問世。文檔現(xiàn)已推出，并于2024年第四季度自AMD Vivado設(shè)計(jì)套件開始提供工具支持。

AMD如何定義未來FPGA？

如何定義未來FPGA？Rob Bauer首先談到，隨著新工藝節(jié)點(diǎn)的遷移，比如從45nm、28nm到20nm、16nm，AMD著眼于投資新的前端性工藝技術(shù)，并將其產(chǎn)品視為跨節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品組合。未來，AMD會(huì)繼續(xù)投資16nm的Spartan UltraScale+ FPGA系列產(chǎn)品，同時(shí)也會(huì)繼續(xù)投資更先進(jìn)的7nm制程。

其次，F(xiàn)PGA有望在邊緣應(yīng)用大放異彩。Spartan UltraScale+ FPGA系列處理器是專為傳感器接口設(shè)計(jì)的，非常適合做實(shí)際的物理接口的配套，同時(shí)也非常適合做數(shù)據(jù)預(yù)處理、實(shí)時(shí)格式化、信號(hào)調(diào)節(jié)以及數(shù)據(jù)進(jìn)入推理引擎前的一些過濾。

此外，客戶正在將一些實(shí)時(shí)處理工作與FPGA進(jìn)行結(jié)合，例如在FPGA上實(shí)現(xiàn)軟核處理現(xiàn)在已經(jīng)變得可行。長期而言，AMD也提供Microblaze軟核處理器，最近還推出了Microblaze 5產(chǎn)品，包含RISC-V指令集架構(gòu)。

Rob Bauer還強(qiáng)調(diào)了總體擁有成本TCO，包括對(duì)器件編程、執(zhí)行仿真與合成這樣的工作負(fù)載所需要的工具成本。Vivado工具套件為COP器件提供了免費(fèi)許可，因此對(duì)于器件編程來說，其軟件是免費(fèi)的，AMD希望能夠通過Spartan UltraScale+ FPGA系列去實(shí)現(xiàn)更具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)值組合。