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”，F(xiàn)PGA可重編程邏輯改變了半導體設計的面貌。這是開發(fā)人員第一次能在設計芯片時，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。這種靈活性令新芯片設計的開發(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，我們已向不同細分市場的超過7,000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(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先地位，并且我們相信，憑借我們強大的產(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(jīng)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(nèi)開發(fā)和設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體行業(yè)。通過消除對定制掩膜加工和相關的非經(jīng)常性工程成本的需求，F(xiàn)PGA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、安全和接口技術的豐富硬IP。

自全球首款商用FPGA（XC2064）出貨以來的40年里，F(xiàn)PGA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(tǒng)模塊（SOM）在內(nèi)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(wèi)星到無線網(wǎng)絡、醫(yī)療和測試設備、智慧工廠、數(shù)據(jù)中心甚至高頻交易系統(tǒng)等各個領域。

關鍵創(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(fā)布——為大容量應用提供經(jīng)濟高效的傳統(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)了先進的2.5D集成技術的采用，該技術已成為HPC系統(tǒng)的基礎，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與可編程邏輯相結合的自適應SoC。

·2012年：Vivado™設計套件——使軟件開發(fā)人員能夠進行FPGA設計。

·2019年：首款Versal自適應SoC發(fā)布——引入專用AI引擎和可編程片上網(wǎng)絡（NOC）。

·2019年：Vitis™統(tǒng)一軟件平臺——提供預先優(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、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(yōu)化型FPGA和自適應SoC產(chǎn)品組合，為I/O密集型邊緣應用提供經(jīng)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(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。我們持續(xù)投入于這些工具領域，令用戶工作更加高效，同時能夠利用新的和日益演進的數(shù)據(jù)類型與AI模型。

FPGA技術的演變

邊緣AI

如今，大部分AI工作負載都在數(shù)據(jù)中心GPU上運行。然而，越來越多的AI處理發(fā)生在邊緣。FPGA技術居于各行各業(yè)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(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模型可以在邊緣設備上運行，無論是在AI PC、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(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–AMD Kria™自適應SOM器件正助力實時AI推理，以促進可持續(xù)魚類養(yǎng)殖。

·JR九州–日本最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(tǒng)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(qū)域AI識別。

展望未來

我們看到，基于FPGA的自適應計算正持續(xù)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(yè)自動化、6G網(wǎng)絡、氣候變化、藥物研發(fā)、科學研究以及太空探索等領域。值此FPGA誕生40周年之際，我們?yōu)榘l(fā)明這項技術感到無比自豪，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)尖端和市場領先產(chǎn)品的開發(fā)人員持續(xù)運用FPGA技術推動創(chuàng)新芯片設計、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)十年引領這項卓越技術的演進。