在過去的一個(gè)月中，FPGA市場蓬勃發(fā)展。在本文中，我們將簡要研究Xilinx，Intel和LatTIce的三款最新發(fā)布的FPGA。

　　這些FPGA中的每一個(gè)都專注于提高性能的不同方面：Xilinx VU57P試圖繞過要求苛刻的應(yīng)用程序中的存儲(chǔ)器帶寬挑戰(zhàn)。英特爾StraTIx 10 NX FPGA集成了AI優(yōu)化的DSP模塊，可幫助以低延遲實(shí)現(xiàn)大型AI模型。而且，萊迪思Nexus FPGA試圖重新定義低功耗，小尺寸的FPGA。

　　Xilinx VU57P FPGA —高帶寬存儲(chǔ)器

　　在過去的十年中，許多應(yīng)用領(lǐng)域的計(jì)算帶寬呈指數(shù)增長。例如，賽靈思FPGA為機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用提供的DSP切片的數(shù)量已從最大的Virtex 6 FPGA的約2,000個(gè)切片增加到現(xiàn)代Virtex UltraScale +器件的約12,000個(gè)切片。如下所示，在其他應(yīng)用領(lǐng)域（如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻應(yīng)用）中也觀察到了類似的趨勢。

　　對(duì)內(nèi)存帶寬的要求

　　上圖顯示，在過去十年中，DDR技術(shù)的內(nèi)存帶寬僅略有增加-從DDR3到DDR4大約增加了2倍。（值得注意的是，從DDR4到DDR5的飛躍可能更具影響力。）

　　圖中的帶寬差距意味著FPGA和存儲(chǔ)器之間有限的數(shù)據(jù)傳輸速率是這些應(yīng)用中的瓶頸。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)并行使用多個(gè)DDR芯片來增加內(nèi)存帶寬（不一定是內(nèi)存容量）。但是，由于功耗高，外形尺寸和成本問題以及PCB設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這種方法在內(nèi)存帶寬大于約85GB/s時(shí)變得無法使用。

　　另外，內(nèi)存帶寬問題的有效解決方案是一種基于DRAM的內(nèi)存類型，稱為高帶寬內(nèi)存（簡稱HBM）。在這種情況下，可以利用硅堆疊技術(shù)在同一封裝中同時(shí)實(shí)現(xiàn)DRAM存儲(chǔ)器和FPGA，如下圖所示。

　　硅堆疊有助于并行實(shí)現(xiàn)DRAM存儲(chǔ)器和FPGA

　　HBM技術(shù)使我們能夠消除將DDR芯片連接到FPGA的相對(duì)較長的PCB走線。使用帶有大量引腳的集成HBM接口可以顯著提高存儲(chǔ)帶寬，其延遲類似于基于DDR的技術(shù)。

　　Xilinx 最近發(fā)布了VU57P FPGA（來自Virtex UltraScale +系列），該FPGA集成了16 G HBM和高達(dá)460GB/s的存儲(chǔ)器帶寬。該設(shè)備采用了集成的AXI端口交換機(jī)，使我們能夠從任何內(nèi)存端口訪問任何HBM內(nèi)存位置。

　　除了上面討論的節(jié)能計(jì)算功能和大內(nèi)存帶寬外，VU57P還提供了高速接口，例如帶有RS-FEC的100G以太網(wǎng)，150G Interlaken和PCIe Gen4。新設(shè)備的58G PAM4收發(fā)器支持與最新光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的連接。這在不同的應(yīng)用程序中很有用，例如下一代防火墻以及具有QoS的交換機(jī)和路由器。

　　英特爾StraTIx 10 NX FPGA — AI優(yōu)化的DSP模塊

　　數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的許多常規(guī)應(yīng)用都需要高精度算術(shù)。這就是FPGA通常具有帶高精度乘法器和加法器的DSP模塊的原因。例如，XC7A50T（Xilinx）和5CGXC4（Intel）分別具有120和140個(gè)18×18的乘法器。

　　事實(shí)證明，可以使用較少的位數(shù)來實(shí)現(xiàn)許多深度學(xué)習(xí)應(yīng)用，而不會(huì)顯著犧牲準(zhǔn)確性。較低精度的近似值會(huì)減少計(jì)算資源的數(shù)量以及所需的內(nèi)存帶寬。

　　降低位寬的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于精度較低的計(jì)算和每個(gè)內(nèi)存事務(wù)需要傳輸?shù)奈粩?shù)較少，因此可以節(jié)省功耗。實(shí)際上，根據(jù)UC Davis研究人員的說法，在許多深度學(xué)習(xí)應(yīng)用中，INT8甚至更低的精度計(jì)算都可以得出可接受的結(jié)果。

　　在英特爾的StraTIx 10 NX的FPGA是從英特爾首款A(yù)I優(yōu)化的FPGA。這些器件集成了稱為AI Tensor Blocks的算術(shù)塊，其中包含密集的低精度乘法器陣列。這些塊的基本精度是INT8和INT4，盡管它們通過共享指數(shù)支持硬件支持FP16和FP12數(shù)值格式。

　　與標(biāo)準(zhǔn)Intel Stratix 10 FPGA的DSP模塊相比，AI Tensor模塊（在Stratix 10 NX FPGA中使用）可以將INT8吞吐量提高15倍。AI Tensor Block的高層框圖如下所示。

　　AI Tensor Block的框圖

　　英特爾Stratix 10 NX FPGA最顯著的特點(diǎn)是由AI優(yōu)化的計(jì)算塊提供的高計(jì)算密度。然而，新器件還集成了另外兩個(gè)功能，進(jìn)一步幫助設(shè)計(jì)人員以低延遲的方式實(shí)現(xiàn)它的大型AI模型：它支持豐富的近似計(jì)算內(nèi)存（集成HBM）和高帶寬網(wǎng)絡(luò)（高達(dá)57.8 G的PAM4收發(fā)器）。

　　Lattice Nexus — 低功耗，小尺寸FPGA

　　萊迪思半導(dǎo)體最近發(fā)布了其 Certus-NX FPGA系列，該系列使用28nm的全耗盡型絕緣體上硅（FD-SOI）工藝技術(shù)。FD-SOI最初由三星公司開發(fā)，與傳統(tǒng)的CMOS工藝有點(diǎn)相似。但是，如下圖所示，它可為大部分晶體管提供可編程偏置。

　　萊迪思半導(dǎo)體公司最近發(fā)布了其Certus-NX FPGA系列，該系列采用了28納米完全耗盡絕緣體上硅（FD-SOI）工藝技術(shù)。FD-SOI最初是由三星開發(fā)的，有點(diǎn)類似于傳統(tǒng)的CMOS工藝；然而，它可以為大部分晶體管提供可編程的偏置，概念性說明如下。

　　Lattice Nexus平臺(tái)的電路架構(gòu)

　　可編程的buck電壓使芯片面積和功耗大大降低。與具有類似邏輯單元數(shù)量的其他FPGA相比，Certus-NX的功耗最多降低了四倍。

　　由于采用了FD-SOI技術(shù)，因此新器件的尺寸可小至6mm x 6mm，與類似的FPGA相比，每mm2的 I/O多達(dá)兩倍。下表將Certus-NX-40與Intel和Xilinx的類似產(chǎn)品進(jìn)行了比較。

　　三種用于PCIe設(shè)計(jì)的流行FPGA的比較

　　需要注意的是，新設(shè)備支持用于批量加密的AES和用于身份驗(yàn)證的橢圓曲線（ECDSA）。因此，它可以為聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供更高的安全性。此外，它還具有較高的抗軟誤差能力，這使得該裝置適合于航空航天應(yīng)用。

　　FPGA發(fā)展趨勢

　　通過研究Xilinx，Intel和Lattice Semiconductors的這些最新發(fā)布的FPGA，我們可以更清楚地了解FPGA的發(fā)展方式-集中于更高的存儲(chǔ)器帶寬、AI優(yōu)化、低功耗和小尺寸。

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