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”,FPGA 可重編程邏輯改變了半導(dǎo)體設(shè)計的面貌。這是開發(fā)人員第一次能在設(shè)計芯片時,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)計的開發(fā)速度更快,從而縮短了新產(chǎn)品的上市時間,并提供了 ASIC 的替代方案。
FPGA 對市場的影響是驚人的。FPGA 催生了一個價值超過 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)計方法。FPGA 為工程師提供了隨時更改芯片設(shè)計的自由和靈活性,以在一天內(nèi)開發(fā)和設(shè)計出定制芯片的能力。FPGA 還助力開創(chuàng)了“無晶圓廠”商業(yè)模式,徹底改變了整個半導(dǎo)體行業(yè)。通過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來打造突破性的硬件——他們只需愿景、設(shè)計技能與 FPGA。
Ross Freeman(右)鳥瞰 XC2064 布局
全球首款商用 FPGA XC2064 具備 85,000 個晶體管、64 個可配置邏輯塊和 58 個 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 億個晶體管、1,850 萬個邏輯單元、2,654 個 I/O 塊、至多 6,864 個 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,FPGA 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)計算器件已遍布于從汽車、火車車廂與交通信號燈到機(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 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)計套件——使軟件開發(fā)人員能夠進(jìn)行 FPGA 設(shè)計。
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——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,首次在單芯片上實現(xiàn)端到端 AI 加速,并為需要異構(gòu)、低時延和高能效計算的新一代應(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 軟件的推出對推動市場擴(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 核集成等高級功能,支持開發(fā)人員簡化工作流程、縮短開發(fā)周期并實現(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 )包含多項新功能,例如,面向嵌入式 C/C++ 設(shè)計的獨立工具,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 能實時提供針對傳感器數(shù)據(jù)的低時延處理,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)計算技術(shù)目前如何支持邊緣 AI 工作負(fù)載的幾個示例:
美國國家航空航天局( NASA ) – AMD Virtex FPGA 助力 NASA 火星探測器實現(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)工廠自動化。
Radmantis – AMD Kria? 自適應(yīng) SOM 器件正助力實時 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)行實時圖像處理。
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 識別。
展望未來
我們看到,基于 FPGA 的自適應(yīng)計算正持續(xù)推動邊緣 AI 應(yīng)用的突破,這些應(yīng)用涵蓋自動駕駛、機(jī)器人和工業(yè)自動化、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)推動創(chuàng)新芯片設(shè)計、支持硬件輔助驗證并加快產(chǎn)品上市時間。AMD 致力于在未來數(shù)十年引領(lǐng)這項卓越技術(shù)的演進(jìn)。
