今年是首款商用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列( FPGA )誕生 40 周年,其帶來(lái)了可重編程硬件的概念。通過(guò)打造“與軟件一樣靈活的硬件”,FPGA 可重編程邏輯改變了半導體設計的面貌。這是開(kāi)發(fā)人員第一次能在設計芯片時(shí),如果規格或需求在中途、甚至在制造完成后發(fā)生變化,他們可以重新定義芯片功能以執行不同的任務(wù)。這種靈活性令新芯片設計的開(kāi)發(fā)速度更快,從而縮短了新產(chǎn)品的上市時(shí)間,并提供了 ASIC 的替代方案。
FPGA 對市場(chǎng)的影響是驚人的。FPGA 催生了一個(gè)價(jià)值超過(guò) 100 億美元的產(chǎn)業(yè)。過(guò)去四十年來(lái),我們已向不同細分市場(chǎng)的超過(guò) 7,000 家客戶(hù)交付了超過(guò) 30 億顆 FPGA 和自適應 SoC(結合 FPGA 架構與片上系統和其他處理引擎的器件)。事實(shí)上,我們已連續 25 年位居可編程邏輯市場(chǎng)份額的領(lǐng)先地位,并且我們相信,憑借我們強大的產(chǎn)品組合和產(chǎn)品路線(xiàn)圖,我們有能力繼續保持市場(chǎng)領(lǐng)先地位。
加速創(chuàng )新
FPGA 是由已故的 Ross Freeman 發(fā)明的,他是賽靈思公司(現為 AMD 的一部分)聯(lián)合創(chuàng )始人,也是一位工程師與創(chuàng )新者。Freeman 認為,除了標準的固定功能 ASIC 器件之外,一定存在一種更好、更經(jīng)濟高效的芯片設計方法。FPGA 為工程師提供了隨時(shí)更改芯片設計的自由和靈活性,以在一天內開(kāi)發(fā)和設計出定制芯片的能力。FPGA 還助力開(kāi)創(chuàng )了“無(wú)晶圓廠(chǎng)”商業(yè)模式,徹底改變了整個(gè)半導體行業(yè)。通過(guò)消除對定制掩膜加工和相關(guān)的非經(jīng)常性工程成本的需求,FPGA 助力加速硬件創(chuàng )新,證明企業(yè)不需要擁有晶圓代工廠(chǎng)來(lái)打造突破性的硬件——他們只需愿景、設計技能與 FPGA。
Ross Freeman(右)鳥(niǎo)瞰 XC2064 布局
全球首款商用 FPGA XC2064 具備 85,000 個(gè)晶體管、64 個(gè)可配置邏輯塊和 58 個(gè) I/O 塊。相比之下,今天最先進(jìn)的 AMD FPGA 器件(例如 Versal Premium VP1902 )集成了 1,380 億個(gè)晶體管、1,850 萬(wàn)個(gè)邏輯單元、2,654 個(gè) I/O 塊、至多 6,864 個(gè) DSP58 引擎,以及用于內存、安全和接口技術(shù)的豐富硬 IP。
自全球首款商用 FPGA( XC2064 )出貨以來(lái)的 40 年里,FPGA 已在電子領(lǐng)域無(wú)處不在,并深深融入到日常生活中。如今,包括 FPGA、自適應 SoC 和系統模塊( SOM )在內的自適應計算器件已遍布于從汽車(chē)、火車(chē)車(chē)廂與交通信號燈到機器人、無(wú)人機、航天器與衛星到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、醫療和測試設備、智慧工廠(chǎng)、數據中心甚至高頻交易系統等各個(gè)領(lǐng)域。
關(guān)鍵創(chuàng )新與產(chǎn)品里程碑
過(guò)去 40 年來(lái),AMD 的創(chuàng )新和不斷演進(jìn)的市場(chǎng)需求推動(dòng) FPGA 技術(shù)取得了許多驚人的突破。
1985 年:XC2064——首款商用 FPGA。
20 世紀 90 年代:XC4000 和 Virtex? FPGA – 率先為無(wú)線(xiàn)基礎設施集成嵌入式 RAM 和 DSP。
1999 年:Spartan 系列發(fā)布——為大容量應用提供經(jīng)濟高效的傳統 ASIC 替代方案。
2001 年:首款集成 SerDes 的 FPGA。
2011 年:Virtex-7 2000T 成為業(yè)界首個(gè)采用 CoWoS 封裝的量產(chǎn)部署——助力開(kāi)創(chuàng )了先進(jìn)的 2.5D 集成技術(shù)的采用,該技術(shù)已成為 HPC 系統的基礎,現正推動(dòng)面向 AI 的 GPU 創(chuàng )新浪潮。
2012 年:Zynq 系列——首款將 Arm CPU 與可編程邏輯相結合的自適應 SoC。
2012 年:Vivado? 設計套件——使軟件開(kāi)發(fā)人員能夠進(jìn)行 FPGA 設計。
2019 年:首款 Versal 自適應 SoC 發(fā)布——引入專(zhuān)用 AI 引擎和可編程片上網(wǎng)絡(luò )( NOC )。
2019 年:Vitis? 統一軟件平臺——提供預先優(yōu)化的 AI 工具和抽象層,以加快推理速度。
2024 年:第二代 Versal AI Edge 系列——集成可編程邏輯、CPU、DSP 和 AI 引擎,首次在單芯片上實(shí)現端到端 AI 加速,并為需要異構、低時(shí)延和高能效計算的新一代應用提供支持。
2024 年:Spartan UltraScale+ FPGA 系列——補充了我們廣泛的成本優(yōu)化型 FPGA 和自適應 SoC 產(chǎn)品組合,為 I/O 密集型邊緣應用提供經(jīng)濟高效的性能。
Vivado 和 Vitis 軟件的推出對推動(dòng)市場(chǎng)擴張具有重要意義。Vivado 軟件通過(guò)高層次綜合、機器學(xué)習優(yōu)化和無(wú)縫 IP 核集成等高級功能,支持開(kāi)發(fā)人員簡(jiǎn)化工作流程、縮短開(kāi)發(fā)周期并實(shí)現更高的性能。
Vitis 開(kāi)發(fā)環(huán)境帶來(lái)了預優(yōu)化的工具和抽象層,以助力加速 AI 推理。最新版本( 2024.2 )包含多項新功能,例如,面向嵌入式 C/C++ 設計的獨立工具,以及簡(jiǎn)化搭載 AI 引擎的 AMD Versal 自適應 SoC 的使用的增強功能。我們持續投入于這些工具領(lǐng)域,令用戶(hù)工作更加高效,同時(shí)能夠利用新的和日益演進(jìn)的數據類(lèi)型與 AI 模型。
FPGA 技術(shù)的演變
邊緣 AI
如今,大部分 AI 工作負載都在數據中心 GPU 上運行。然而,越來(lái)越多的 AI 處理發(fā)生在邊緣。FPGA 技術(shù)居于各行各業(yè) AI 融合應用快速增長(cháng)的前沿。FPGA 和自適應 SoC 能實(shí)時(shí)提供針對傳感器數據的低時(shí)延處理,從而加速邊緣端 AI 推理。隨著(zhù)近來(lái)小型生成式 AI 模型的推出,我們可以看到“ChatGPT 時(shí)刻”即將來(lái)到邊緣端,這些新的 AI 模型可以在邊緣設備上運行,無(wú)論是在 AI PC 、在您的車(chē)輛中、在工廠(chǎng)機器人、在太空還是任何嵌入式應用中。
以下僅列舉了 AMD 自適應計算技術(shù)目前如何支持邊緣 AI 工作負載的幾個(gè)示例:
美國國家航空航天局( NASA ) – AMD Virtex FPGA 助力 NASA 火星探測器實(shí)現 AI 功能,用于圖像檢測、匹配和校正,并在數據返回地球前過(guò)濾掉無(wú)用數據。
斯巴魯 – 已選擇 AMD 第二代 Versal AI Edge 系列自適應 SoC,將 AI 功能引入其下一代 ADAS“EyeSight”駕駛輔助安全系統。
SICK – AMD Kintex? UltraScale+? FPGA 和 FINN 機器學(xué)習框架幫助 SICK 提供快速且準確的包裹檢查,從而增強工廠(chǎng)自動(dòng)化。
Radmantis – AMD Kria? 自適應 SOM 器件正助力實(shí)時(shí) AI 推理,以促進(jìn)可持續魚(yú)類(lèi)養殖。
JR 九州 – 日本最大的子彈頭列車(chē)運營(yíng)商之一,正采用 AMD Kria SOM 為其基于 AI 的軌道檢查系統進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理。
Clarius – 正使用 AMD Zynq UltraScale 自適應 SoC 助力其手持式超聲設備中的感興趣區域 AI 識別。
展望未來(lái)
我們看到,基于 FPGA 的自適應計算正持續推動(dòng)邊緣 AI 應用的突破,這些應用涵蓋自動(dòng)駕駛、機器人和工業(yè)自動(dòng)化、6G 網(wǎng)絡(luò )、氣候變化、藥物研發(fā)、科學(xué)研究以及太空探索等領(lǐng)域。值此 FPGA 誕生 40 周年之際,我們?yōu)榘l(fā)明這項技術(shù)感到無(wú)比自豪,并回顧其發(fā)展歷程及其在此后 40 年的巨大影響。致力于開(kāi)發(fā)尖端和市場(chǎng)領(lǐng)先產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)人員持續運用 FPGA 技術(shù)推動(dòng)創(chuàng )新芯片設計、支持硬件輔助驗證并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。AMD 致力于在未來(lái)數十年引領(lǐng)這項卓越技術(shù)的演進(jìn)。
