今年是首款商用現場可編程門陣列(FPGA)誕生40周年的日子,它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改變了半導體設計的面貌。
有了FPGA,開發人員第一次能在設計芯片時,如果規格或需求在中途、甚至在制造完成后發生變化,他們可以重新定義芯片功能,以執行不同的任務。
這種靈活性令新芯片設計的開發速度更快,從而縮短了新產品的上市時間,并提供了ASIC的替代方案。
FPGA對市場的影響是驚人的。它催生了一個價值超過100億美元的產業。
過去四十年來,賽靈思(現為AMD的一部分)已向不同細分市場的7000多家客戶交付了超過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。
事實上,賽靈思已連續25年位居FPGA市場的領先地位,并且相信憑借強大的產品組合和產品路線圖,有能力繼續保持市場領先地位。
【加速創新】
FPGA是由已故的Ross Freeman發明的,他是賽靈思公司聯合創始人,也是一位工程師與創新者。
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、更經濟高效的芯片設計方法。
FPGA為工程師提供了隨時更改芯片設計的自由和靈活性,以在一天內開發和設計出定制芯片的能力。
FPGA還助力開創了“無晶圓廠”商業模式,徹底改變了整個半導體行業。
通過消除對定制掩膜加工和相關的非經常性工程成本的需求,FPGA助力加速硬件創新,證明企業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、設計技能與FPGA。
Ross Freeman(右)鳥瞰XC2064布局
上圖為全球首款商用FPGAXC2064,具備85000個晶體管、64個可配置邏輯塊和58個I/O塊。
相比之下,今天先進的AMD FPGA器件,例如Versal Premium VP1902,集成了1380億個晶體管、1850萬個邏輯單元、2654個I/O塊、至多6864個DSP58引擎,以及用于內存、安全和接口技術的豐富硬IP。
全球首款商用FPGA(XC2064)出貨以來的40年里,FPGA已在電子領域無處不在,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、火車車廂與交通信號燈到機器人、無人機、航天器與衛星到無線網絡、醫療和測試設備、智慧工廠、數據中心甚至高頻交易系統等各個領域。
【關鍵創新與產品里程碑】
過去40年來,AMD的創新和不斷演進的市場需求推動FPGA技術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:率先為無線基礎設施集成嵌入式RAM和DSP。
-1999年:Spartan系列發布——為大容量應用提供經濟高效的傳統ASIC替代方案。
-2001年:首款集成SerDes的FPGA。
-2011年:Virtex-72000T成為業界首個采用CoWoS封裝的量產部署——助力開創了先進的2.5D集成技術的采用,該技術已成為HPC系統的基礎,現正推動面向AI的GPU創新浪潮。
-2012年:Zynq系列——首款將ArmCPU與可編程邏輯相結合的自適應SoC。
-2012年:Vivado設計套件——使軟件開發人員能夠進行FPGA設計。
-2019年:首款Versal自適應SoC發布——引入專用AI引擎和可編程片上網絡(NOC)。
-2019年:Vitis統一軟件平臺——提供預先優化的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端到端AI加速,并為需要異構、低時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化型FPGA和自適應SoC產品組合,為I/O密集型邊緣應用提供經濟高效的性能。
Vivado和Vitis軟件的推出對推動市場擴張具有重要意義。Vivado軟件通過高層次綜合、機器學習優化和無縫IP核集成等高級功能,支持開發人員簡化工作流程、縮短開發周期并實現更高的性能。
Vitis開發環境帶來了預優化的工具和抽象層,以助力加速AI推理。
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,以及簡化搭載AI引擎的AMD Versal自適應SoC的使用的增強功能。
FPGA技術的演變
【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,越來越多的AI處理發生在邊緣。
FPGA技術居于各行各業AI融合應用快速增長的前沿。FPGA和自適應SoC能實時提供針對傳感器數據的低時延處理,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模型可以在邊緣設備上運行,無論是在AIPC、在您的車輛中、在工廠機器人、在太空還是任何嵌入式應用中。
以下僅列舉了AMD自適應計算技術目前如何支持邊緣AI工作負載的幾個示例:
- 美國國家航空航天局(NASA):AMD Virtex FPGA助力NASA火星探測器實現AI功能,用于圖像檢測、匹配和校正,并在數據返回地球前過濾掉無用數據。
- 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機器學習框架幫助SICK提供快速且準確的包裹檢查,從而增強工廠自動化。
- Radmantis:AMDKria自適應SOM器件正助力實時AI推理,以促進可持續魚類養殖。
- JR九州:日本大的子彈頭列車運營商之一,正采用AMD Kria SOM為其基于AI的軌道檢查系統進行實時圖像處理。
- 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
基于FPGA的自適應計算正持續推動邊緣AI應用的突破,這些應用涵蓋自動駕駛、機器人和工業自動化、6G網絡、氣候變化、藥物研發、科學研究以及太空探索等領域。
值此FPGA誕生40周年之際,AMD為發明這項技術感到無比自豪,將繼續致力于開發尖端的領先產品,幫助開發人員持續運用FPGA技術,推動創新芯片設計、支持硬件輔助驗證,并加快產品上市時間。
AMD致力于在未來數十年引領這項卓越技術的演進。
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