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(chǎng)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(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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(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(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,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(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,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(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(cè)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(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(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(chǎng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)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(guó)國(guó)家航空航天局( NASA ) – AMD Virtex FPGA 助力 NASA 火星探測(cè)器實(shí)現(xiàn) AI 功能,用于圖像檢測(cè)、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(yíng)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(chǎng)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)。