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作為一個(gè)FPGA博主、作為一個(gè)寫了一本FPGA暢銷書的博主，老粉應(yīng)該都發(fā)現(xiàn)了我好久沒講FPGA了。不是我不想講，明明是FPGA行業(yè)已經(jīng)太久沒有新動(dòng)態(tài)了啊~
不過就在整個(gè)FPGA行業(yè)近乎沉寂了好長(zhǎng)時(shí)間之后，三月份我們熟悉的AMD又搞了一波事情。他們發(fā)布了一個(gè)新的產(chǎn)品系列Spartan UltraScale+，專門面向物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算和嵌入式這些成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域。
說白了，其實(shí)是一類小芯片，但懂行的人一眼就能看出來，性能其實(shí)并不弱，主打一個(gè)小而強(qiáng)大。不僅如此，我得給這類芯片上一波價(jià)值，這次推出的新產(chǎn)品其實(shí)意義也很重大：它將高端FPGA架構(gòu)放在了「低端」走量的FPGA中?？此葡鲁?，但其實(shí)是技術(shù)和應(yīng)用的雙向奔赴，也代表了FPGA對(duì)自身定位的重塑。
今天這篇文章就以這顆小而強(qiáng)大的芯片為例，聊聊FPGA在人工智能時(shí)代的未來到底路在何方。
1、低端產(chǎn)品+高端架構(gòu) = ？
這次AMD發(fā)布的新產(chǎn)品叫Spartan UltraScale+，對(duì)FPGA不太熟悉的朋友可能有點(diǎn)暈。這里就先給大家簡(jiǎn)單科普一下AMD FPGA的命名規(guī)則，其實(shí)hin簡(jiǎn)單，和英文名字一樣，前面的Spartan是名、后面的UltraScale+是姓。它們其實(shí)代表了衡量一個(gè)FPGA芯片的兩個(gè)維度，姓代表工藝制程和架構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)代；名代表了每代里的不同系列，有高中低各種檔次，也代表了不同的性能。
比如，這次新品的姓是UltraScale+，這其實(shí)就代表著它是一顆用16納米工藝制造的芯片，這也是AMD現(xiàn)在的次頂級(jí)。比他還厲害的就只有7納米工藝的Versal，比他弱一點(diǎn)的有20納米的UltraScale、以及再古老一點(diǎn)的28納米的7系列、40納米的6系列。除了工藝，每代產(chǎn)品在架構(gòu)上也會(huì)有區(qū)別。比如UltraScale+就集成了新的UltraRAM和片間集成技術(shù)，UltraScale相比前一代集成了3D封裝等。
再來說名字，高情商的說法，這次的Spartan其實(shí)是整個(gè)AMD FPGA里的「成本優(yōu)化型」產(chǎn)品，面向低成本和邊緣端應(yīng)用的場(chǎng)景；低情商的說法，其實(shí)Spartan就走量的應(yīng)用。比他更高的還有Kintex和Virtex，硬件資源更多、性能也更強(qiáng)，比如像Virtex UltraScale+就是我們組日常開發(fā)在用的主力產(chǎn)品類型。
Spartan這個(gè)產(chǎn)品系列首發(fā)于1998年，可能比很多看文章的朋友年齡還大。事實(shí)上，像這種「成本優(yōu)化型」FPGA的應(yīng)用場(chǎng)景已經(jīng)非常廣泛了。比如醫(yī)療領(lǐng)域的自動(dòng)除顫器和手術(shù)機(jī)器人，數(shù)據(jù)中心里用來做服務(wù)器板卡的控制和管理，甚至火星探測(cè)器和CERN的粒子加速器里也用到了這顆芯片。四舍五入的說，很多突破性的研究都是靠Spartan才完成的啊！
那么像Spartan這樣的FPGA到底有什么獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、能用在這么多領(lǐng)域呢？就拿自動(dòng)除顫器舉例，我發(fā)現(xiàn)最近幾年很多公共場(chǎng)所都配備了這個(gè)救命的機(jī)器。既然是醫(yī)療設(shè)備，穩(wěn)定可靠是首要考慮因素，這也是FPGA的主要優(yōu)勢(shì)。功能方面，這些領(lǐng)域的應(yīng)用功能比較明確，本身也不需要特別大的算力，用不上高端的CPU/GPU甚至高級(jí)的FPGA。此外，這種手提移動(dòng)設(shè)備體積小、功耗不能太大，成本肯定也不能太高。綜合考慮起來，像Spartan這樣的「成本優(yōu)化型」FPGA是最合適的，因?yàn)樗鼈兗骖櫫烁咝?、高穩(wěn)定性、低功耗、低成本的因素。
從技術(shù)的角度來看，云端、終端和邊緣端三者的側(cè)重點(diǎn)有很大不同。云端主打算力性能，PC這樣的終端主打通用和靈活性，而邊緣端計(jì)算更講究多個(gè)傳感器的深度融合，對(duì)實(shí)時(shí)性也有很高的要求。傳統(tǒng)的嵌入式MCU或者嵌入式GPU主打靈活性和性能，但可編程的I/O引腳有限，很難同時(shí)連接多個(gè)傳感器或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，此外計(jì)算的確定性和事實(shí)性都不足。
相比之下，F(xiàn)PGA其實(shí)是這類應(yīng)用的一個(gè)非常好的選擇。它有很多個(gè)可編程I/O，通過靈活配置可以連接很多外設(shè)和傳感器，而FPGA自己就作為結(jié)合了控制和計(jì)算的核心單元。此外，F(xiàn)PGA上的邏輯結(jié)構(gòu)可以根據(jù)算法或應(yīng)用來調(diào)整，并且可以實(shí)現(xiàn)很高的并行性，端到端的延時(shí)很低，能夠保證邊緣端應(yīng)用的實(shí)時(shí)性，所以FPGA在邊緣端的應(yīng)用非常廣泛。
到了人工智能時(shí)代，不是只有大模型才是AI唯一的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算其實(shí)也有非常大的機(jī)會(huì)。有數(shù)據(jù)顯示，到2028年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將增加一倍以上。這不僅帶來了更多邊緣端算力的需求，也對(duì)各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的互聯(lián)、擴(kuò)展還有安全性都提出了更多的要求。而這也是AMD繼續(xù)加碼成本優(yōu)化型FPGA背后的本質(zhì)邏輯。
接下來我們就看看這次發(fā)布的Spartan Ultrascale+ FPGA是如何把高端架構(gòu)下沉到走量的產(chǎn)品中、從而更好的滿足了邊緣端的新需求。這些架構(gòu)的變革應(yīng)該也代表了未來FPGA的一個(gè)重要的發(fā)展方向。我總結(jié)了四點(diǎn)，咱們一個(gè)一個(gè)來看。
2、邊緣AI+FPGA=？
首先，Spartan Ultrascale+根據(jù)邊緣端應(yīng)用的特點(diǎn)，深度優(yōu)化了I/O密度和性能。高I/O密度指的是，不僅I/O接口的數(shù)量要多，而且對(duì)于同樣FPGA邏輯單元來說，I/O的比例也要高。行業(yè)有個(gè)衡量方法，叫I/O邏輯單元比。用這個(gè)量化標(biāo)準(zhǔn)，Spartan UltraScale+是前一代產(chǎn)品Spartan7的3.5倍。絕對(duì)數(shù)量上，它也提供了最高572個(gè)、三種不同類型的I/O，支持3.3V電壓，也支持MIPI D-PHY協(xié)議、實(shí)現(xiàn)3.2G MIPI D-PHY。多說一句，MIPI（移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口）是一個(gè)面向移動(dòng)設(shè)備和邊緣應(yīng)用的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，能幫助處理器和核心芯片和傳感器攝像頭這些外設(shè)更快的連接。
此外，I/O多還不夠，還需要更高的連接性能。這主要得益于Ultrascale+的加持，新產(chǎn)品的收發(fā)器帶寬也得到大幅提升，比如能以16.3Gb/s的速度運(yùn)行高達(dá)8個(gè)GTH收發(fā)器。和同樣面向嵌入式和邊緣端的另外一個(gè)產(chǎn)品線Artix 7相比，Spartan Ultrascale+的收發(fā)器帶寬提升2.5倍、MIPI帶寬提升4倍，這對(duì)于體積功耗有限的I/O密集型應(yīng)用非常重要。
比如在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用里，可以讓一顆FPGA芯片連接多個(gè)電機(jī)、傳感器、攝像頭、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等等，很好的支持這些邊緣應(yīng)用的擴(kuò)展和互聯(lián)。所以說，Spartan Ultrascale+之所以在I/O上下這么大功夫，本質(zhì)上就是通過FPGA連接更多設(shè)備，也讓更多原本獨(dú)立的應(yīng)用，快速進(jìn)入到邊緣AI的時(shí)代。
對(duì)于邊緣計(jì)算的場(chǎng)景來說，低功耗也至關(guān)重要。這也是AMD把Ultrascale+架構(gòu)下放到Spartan上的最主要原因之一。一個(gè)直觀的優(yōu)勢(shì)，就是16納米這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)已經(jīng)優(yōu)化的非常透徹成熟了，所以整體性能和功耗都已經(jīng)趨于最好的平衡。比如和28納米的芯片相比，新產(chǎn)品的總功耗能降低達(dá)30%，同時(shí)性能提升高達(dá)1.9倍，一上一下，性能功耗比就拉滿了。邏輯單元數(shù)量方面，從11000到218000邏輯單元，一共九款產(chǎn)品，不管是嵌入式應(yīng)用、服務(wù)器板卡管理，還是邊緣計(jì)算場(chǎng)景來說，總有一款適合你。同時(shí)，新架構(gòu)上還硬化了LPDDR、PCIeGen4等等這些常見外設(shè)控制器IP，不用耗費(fèi)寶貴的邏輯資源去實(shí)現(xiàn)、而且性能更高，讓接口部分的能效提升達(dá)60%。可能原來需要更高端（也就更貴）的芯片才能完成的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在用Spartan就能做了。
面對(duì)邊緣端應(yīng)用的特殊需求，這次Spartan Ultrascale+ FPGA還集成了很多專用IP，比如面向安全保護(hù)的專用單元。這一方面是保護(hù)邊緣計(jì)算系統(tǒng)不受威脅，另一方面也是在保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。萬一別有用心的黑衣人把除顫儀給偷了、芯片取下來做反向工程，破解了FPGA上的關(guān)鍵IP，然后自己去做；或者把上面的功能給改了，本來應(yīng)該救人的功能變成了害人，那后果就嚴(yán)重了。
在Spartan Ultrascale+ FPGA里集成了非常多安全功能，主要分成三類，一個(gè)是保護(hù)FPGA上的設(shè)計(jì)和IP，比如使用后量子密碼技術(shù)抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊和威脅，以及物理不可克隆功能避免反向工程和盜用；第二是防止篡改，比如可定制的篡改響應(yīng)、秘鑰管理和針對(duì)測(cè)信道攻擊的DPA對(duì)策；第三就是使用增強(qiáng)的單事件干擾性能，最大限度延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，提升可靠性。
別問我上面這些是啥意思，做安全的朋友可以來給我們科普下，總之我就是覺得很安全就對(duì)了。
此外，AMD還特別提升了對(duì)開發(fā)工具易用性的優(yōu)化。軟件和開發(fā)工具，其實(shí)是FPGA廠商很深厚的護(hù)城河?？催^我的書的朋友們應(yīng)該還記得，F(xiàn)PGA芯片剛出現(xiàn)的時(shí)候，F(xiàn)PGA廠商就決定要自己做完整的工具鏈和開發(fā)流程，現(xiàn)在回頭看，這其實(shí)是個(gè)非常明智的決定。
在邊緣應(yīng)用里面，很多開發(fā)者可能是軟件或算法背景，對(duì)FPGA或者硬件開發(fā)并不熟悉。如果讓他們?nèi)W(xué)大量EDA工具，就有點(diǎn)事倍功半的意思了。一個(gè)重要的需求，其實(shí)就是在統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境里進(jìn)行全流程的開發(fā)。就拿Spartan Ultrascale+ 來說，開發(fā)這個(gè)FPGA只需要學(xué)習(xí)掌握AMD的Vivado工具就OK了，這里面集成了仿真綜合布局布線優(yōu)化調(diào)試等等FPGA開發(fā)全流程，能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的端到端的設(shè)計(jì)，不用再去學(xué)第三方的工具。
這樣最大的好處就是能極大提升開發(fā)效率、降低復(fù)雜性，加速產(chǎn)品上市，特別是對(duì)于那些應(yīng)用側(cè)的開發(fā)人員來說尤其重要。我之前做過兩期FPGA的學(xué)習(xí)路線，分別是入門版和進(jìn)階版（點(diǎn)擊前面鏈接查看），之后我也會(huì)介紹更多FPGA開發(fā)的知識(shí)和工具的使用技巧，也會(huì)帶大家用開發(fā)板來做一些項(xiàng)目的實(shí)操，所以一定要記得點(diǎn)一下關(guān)注。
3、FPGA的未來=？
Spartan Ultrascale+之所以是個(gè)小而強(qiáng)大的FPGA，就是因?yàn)樗芎玫臐M足了人工智能時(shí)代對(duì)FPGA的新需求，這個(gè)其實(shí)對(duì)于整個(gè)FPGA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也算是投石問路，有著挺好的借鑒意義。咱們最后也借著這個(gè)題目稍微發(fā)散一下。
首先，技術(shù)仍然是最硬的硬道理。FPGA本質(zhì)還是芯片，芯片本質(zhì)就是把沙子變成最尖端科技的「魔法」。所以如何能在越來越小的芯片上、集成越來越多的功能，仍然是FPGA、甚至是整個(gè)芯片行業(yè)在研究和突破的方向。
雖然我們表面上看起來，Spartan和Ultrascale+這一個(gè)名一個(gè)姓只是排列組合在一起，但它背后蘊(yùn)含的技術(shù)突破還是非常硬核、沒那么簡(jiǎn)單能實(shí)現(xiàn)的。與其說UltraScale+這種「高端」架構(gòu)下沉到Spartan這樣的低端產(chǎn)品上，不如說是技術(shù)和需求的雙向奔赴，畢竟能解決問題的技術(shù)，才是有用的技術(shù)。
第二，F(xiàn)PGA仍然是不可替代的存在。然后雖然FPGA行業(yè)貌似蟄伏了很久，新消息也不是很多，很多人甚至認(rèn)為現(xiàn)在GPU一統(tǒng)天下，F(xiàn)PGA已死。但其實(shí)事實(shí)遠(yuǎn)不是這樣。FPGA一個(gè)重要的特點(diǎn)就是非常非常長(zhǎng)的生命周期，短則五六年，長(zhǎng)則十五六年。比如AMD去年還發(fā)過消息，說Spartan的上上代產(chǎn)品Spartan6的生命周期至少要延長(zhǎng)到2030年。這說明這些FPGA的生產(chǎn)制造技術(shù)支持等等將繼續(xù)延續(xù)，采用Spartan6的產(chǎn)品也不需要被強(qiáng)制更新，而是可以繼續(xù)服役。這就很好的體現(xiàn)了FPGA極高的穩(wěn)定性，也體現(xiàn)了了醫(yī)療工業(yè)這些FPGA應(yīng)用領(lǐng)域的穩(wěn)定性。所以FPGA在這些領(lǐng)域仍然有著不可替代的作用。
當(dāng)然，在新的時(shí)代，F(xiàn)PGA廠商也好、其他芯片廠商也好，也要順應(yīng)時(shí)代，預(yù)判別人的預(yù)判，找到自己未來的發(fā)展方向。我最近看了一個(gè)電影《年會(huì)不能?！防锞陀幸痪湓挘鉀Q問題的關(guān)鍵，就是找到關(guān)鍵的問題。雖然是大鵬在搞笑，但其實(shí)解決FPGA未來發(fā)展的關(guān)鍵問題就是新應(yīng)用，比如人工智能的邊緣端應(yīng)用和推理應(yīng)用，就是FPGA非常適合的領(lǐng)域。找到了方向，也需要提前布局。再用電影里的話，拉通上下環(huán)節(jié)，打組合拳~
最后，軟件工具和IP仍然是王道。FPGA的硬件結(jié)構(gòu)其實(shí)已經(jīng)處于很開放的狀態(tài)，里面長(zhǎng)什么樣已經(jīng)固定了好多年。但它的核心競(jìng)爭(zhēng)力主要還是來自軟件工具和IP，比如前面說過的端到端的開發(fā)工具，以及各種高速接口和安全I(xiàn)P等等，這些才是FPGA的附加值，也是各個(gè)廠商的技術(shù)護(hù)城河和核心競(jìng)爭(zhēng)力。
說了這么多，你是否看好FPGA的未來發(fā)展？對(duì)Spartan這樣的成本優(yōu)化型FPGA未來又有怎樣的期待？歡迎在評(píng)論區(qū)一起聊聊。
（注：本文不代表老石任職單位的觀點(diǎn)。）
