從發(fā)明到 AI 加速：慶祝 FPGA 創(chuàng)新 40 周年

今年是首款商用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）誕生40周年，其帶來了可重編程硬件的概念。通過打造“與軟件一樣靈活的硬件”，F(xiàn)PGA可重編程邏輯改變了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的面貌。這是開發(fā)人員第一次能在設(shè)計(jì)芯片時(shí)，如果規(guī)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(zhí)行不同的任務(wù)。這種靈活性令新芯片設(shè)計(jì)的開發(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(duì)市場的影響是驚人的。FPGA催生了一個(gè)價(jià)值超過100億美元的產(chǎn)業(yè)。過去四十年來，我們已向不同細(xì)分市場的超過7,000家客戶交付了超過30億顆FPGA和自適應(yīng)SoC（結(jié)合FPGA架構(gòu)與片上系統(tǒng)和其他處理引擎的器件）。事實(shí)上，我們已連續(xù)25年位居可編程邏輯市場份額的領(lǐng)先地位，并且我們相信，憑借我們強(qiáng)大的產(chǎn)品組合和產(chǎn)品路線圖，我們有能力繼續(xù)保持市場領(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(xiàn)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(rèn)為，除了標(biāo)準(zhǔn)的固定功能ASIC器件之外，一定存在一種更好、更經(jīng)濟(jì)高效的芯片設(shè)計(jì)方法。FPGA為工程師提供了隨時(shí)更改芯片設(shè)計(jì)的自由和靈活性，以在一天內(nèi)開發(fā)和設(shè)計(jì)出定制芯片的能力。FPGA還助力開創(chuàng)了“無晶圓廠”商業(yè)模式，徹底改變了整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)。通過消除對(duì)定制掩膜加工和相關(guān)的非經(jīng)常性工程成本的需求，F(xiàn)PGA助力加速硬件創(chuàng)新，證明企業(yè)不需要擁有晶圓代工廠來打造突破性的硬件——他們只需愿景、設(shè)計(jì)技能與FPGA。

Ross Freeman（右）鳥瞰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(nèi)存、安全和接口技術(shù)的豐富硬IP。

自全球首款商用FPGA（XC2064）出貨以來的40年里，F(xiàn)PGA已在電子領(lǐng)域無處不在，并深深融入到日常生活中。如今，包括FPGA、自適應(yīng)SoC和系統(tǒng)模塊（SOM）在內(nèi)的自適應(yīng)計(jì)算器件已遍布于從汽車、火車車廂與交通信號(hào)燈到機(jī)器人、無人機(jī)、航天器與衛(wèi)星到無線網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療和測試設(shè)備、智慧工廠、數(shù)據(jù)中心甚至高頻交易系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵創(chuàng)新與產(chǎn)品里程碑

過去40年來，AMD的創(chuàng)新和不斷演進(jìn)的市場需求推動(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(jì)90年代：XC4000和Virtex™FPGA– 率先為無線基礎(chǔ)設(shè)施集成嵌入式RAM和DSP。

·1999年：Spartan系列發(fā)布——為大容量應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)高效的傳統(tǒng)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(tǒng)的基礎(chǔ)，現(xiàn)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(jié)合的自適應(yīng)SoC。

·2012年：Vivado™設(shè)計(jì)套件——使軟件開發(fā)人員能夠進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)。

·2019年：首款Versal自適應(yīng)SoC發(fā)布——引入專用AI引擎和可編程片上網(wǎng)絡(luò)（NOC）。

·2019年：Vitis™統(tǒng)一軟件平臺(tái)——提供預(yù)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(xiàn)端到端AI加速，并為需要異構(gòu)、低時(shí)延和高能效計(jì)算的新一代應(yīng)用提供支持。

·2024年：Spartan UltraScale+ FPGA系列——補(bǔ)充了我們廣泛的成本優(yōu)化型FPGA和自適應(yīng)SoC產(chǎn)品組合，為I/O密集型邊緣應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)高效的性能。

Vivado和Vitis軟件的推出對(duì)推動(dòng)市場擴(kuò)張具有重要意義。Vivado軟件通過高層次綜合、機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化和無縫IP核集成等高級(jí)功能，支持開發(fā)人員簡化工作流程、縮短開發(fā)周期并實(shí)現(xiàn)更高的性能。

Vitis開發(fā)環(huán)境帶來了預(yù)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(xiàng)新功能，例如，面向嵌入式C/C++設(shè)計(jì)的獨(dú)立工具，以及簡化搭載AI引擎的AMD Versal自適應(yīng)SoC的使用的增強(qiáng)功能。我們持續(xù)投入于這些工具領(lǐng)域，令用戶工作更加高效，同時(shí)能夠利用新的和日益演進(jìn)的數(shù)據(jù)類型與AI模型。

FPGA技術(shù)的演變

邊緣AI

如今，大部分AI工作負(fù)載都在數(shù)據(jù)中心GPU上運(yùn)行。然而，越來越多的AI處理發(fā)生在邊緣。FPGA技術(shù)居于各行各業(yè)AI融合應(yīng)用快速增長的前沿。FPGA和自適應(yīng)SoC能實(shí)時(shí)提供針對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的低時(shí)延處理，從而加速邊緣端AI推理。隨著近來小型生成式AI模型的推出，我們可以看到“ChatGPT時(shí)刻”即將來到邊緣端，這些新的AI模型可以在邊緣設(shè)備上運(yùn)行，無論是在AI PC、在您的車輛中、在工廠機(jī)器人、在太空還是任何嵌入式應(yīng)用中。

以下僅列舉了AMD自適應(yīng)計(jì)算技術(shù)目前如何支持邊緣AI工作負(fù)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(xiàn)AI功能，用于圖像檢測、匹配和校正，并在數(shù)據(jù)返回地球前過濾掉無用數(shù)據(jù)。

·斯巴魯–已選擇AMD第二代Versal AI Edge系列自適應(yīng)SoC，將AI功能引入其下一代ADAS“EyeSight”駕駛輔助安全系統(tǒng)。

·SICK–AMD Kintex™UltraScale+™FPGA和FINN機(jī)器學(xué)習(xí)框架幫助SICK提供快速且準(zhǔn)確的包裹檢查，從而增強(qiáng)工廠自動(dòng)化。

·Radmantis–AMD Kria™自適應(yīng)SOM器件正助力實(shí)時(shí)AI推理，以促進(jìn)可持續(xù)魚類養(yǎng)殖。

·JR九州–日本最大的子彈頭列車運(yùn)營商之一，正采用AMD Kria SOM為其基于AI的軌道檢查系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理。

·Clarius–正使用AMD Zynq UltraScale自適應(yīng)SoC助力其手持式超聲設(shè)備中的感興趣區(qū)域AI識(shí)別。

展望未來

我們看到，基于FPGA的自適應(yīng)計(jì)算正持續(xù)推動(dòng)邊緣AI應(yīng)用的突破，這些應(yīng)用涵蓋自動(dòng)駕駛、機(jī)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(xiàng)技術(shù)感到無比自豪，并回顧其發(fā)展歷程及其在此后40年的巨大影響。致力于開發(fā)尖端和市場領(lǐng)先產(chǎn)品的開發(fā)人員持續(xù)運(yùn)用FPGA技術(shù)推動(dòng)創(chuàng)新芯片設(shè)計(jì)、支持硬件輔助驗(yàn)證并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。AMD致力于在未來數(shù)十年引領(lǐng)這項(xiàng)卓越技術(shù)的演進(jìn)。