AMD 又看到了一個新機會
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作爲一個FPGA博主、作爲一個的博主，老粉應該都發現了我好久沒講FPGA了。不是我不想講，明明是FPGA行業已經太久沒有新動態了啊~
不過就在整個FPGA行業近乎沉寂了好長時間之後，三月份我們熟悉的AMD又搞了一波事情。他們發佈了一個新的產品系列Spartan UltraScale+，專門面向物聯網、邊緣計算和嵌入式這些成本敏感的應用領域。
說白了，其實是一類小芯片，但懂行的人一眼就能看出來，性能其實並不弱，主打一個小而強大。不僅如此，我得給這類芯片上一波價值，這次推出的新產品其實意義也很重大：它將高端FPGA架構放在了「低端」走量的FPGA中。看似下沉，但其實是技術和應用的雙向奔赴，也代表了FPGA對自身定位的重塑。
今天這篇文章就以這顆小而強大的芯片爲例，聊聊FPGA在人工智能時代的未來到底路在何方。
1、低端產品+高端架構 = ？
這次AMD發佈的新產品叫Spartan UltraScale+，對FPGA不太熟悉的朋友可能有點暈。這裡就先給大家簡單科普一下AMD FPGA的命名規則，其實hin簡單，和英文名字一樣，前面的Spartan是名、後面的UltraScale+是姓。它們其實代表了衡量一個FPGA芯片的兩個維度，姓代表工藝製程和架構，相當於一個代；名代表了每代裡的不同系列，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+，這其實就代表着它是一顆用16納米工藝製造的芯片，這也是AMD現在的次頂級。比他還厲害的就只有7納米工藝的Versal，比他弱一點的有20納米的UltraScale、以及再古老一點的28納米的7系列、40納米的6系列。除了工藝，每代產品在架構上也會有區別。比如UltraScale+就集成了新的UltraRAM和片間集成技術，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其實是整個AMD FPGA裡的「成本優化型」產品，面向低成本和邊緣端應用的場景；低情商的說法，其實Spartan就走量的應用。比他更高的還有Kintex和Virtex，硬件資源更多、性能也更強，比如像Virtex UltraScale+就是我們組日常開發在用的主力產品類型。
Spartan這個產品系列首發於1998年，可能比很多看文章的朋友年齡還大。事實上，像這種「成本優化型」FPGA的應用場景已經非常廣泛了。比如醫療領域的自動除顫器和手術機器人，數據中心裡用來做服務器板卡的控制和管理，甚至火星探測器和CERN的粒子加速器裡也用到了這顆芯片。四捨五入的說，很多突破性的研究都是靠Spartan才完成的啊！
那麼像Spartan這樣的FPGA到底有什麼獨特優勢、能用在這麼多領域呢？就拿自動除顫器舉例，我發現最近幾年很多公共場所都配備了這個救命的機器。既然是醫療設備，穩定可靠是首要考慮因素，這也是FPGA的主要優勢。功能方面，這些領域的應用功能比較明確，本身也不需要特別大的算力，用不上高端的CPU/GPU甚至高級的FPGA。此外，這種手提移動設備體積小、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「成本優化型」FPGA是最合適的，因爲它們兼顧了高效、高穩定性、低功耗、低成本的因素。
從技術的角度來看，雲端、終端和邊緣端三者的側重點有很大不同。雲端主打算力性能，PC這樣的終端主打通用和靈活性，而邊緣端計算更講究多個傳感器的深度融合，對實時性也有很高的要求。傳統的嵌入式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，很難同時連接多個傳感器或網絡設備，此外計算的確定性和事實性都不足。
相比之下，FPGA其實是這類應用的一個非常好的選擇。它有很多個可編程I/O，通過靈活配置可以連接很多外設和傳感器，而FPGA自己就作爲結合了控制和計算的核心單元。此外，FPGA上的邏輯結構可以根據算法或應用來調整，並且可以實現很高的並行性，端到端的延時很低，能夠保證邊緣端應用的實時性，所以FPGA在邊緣端的應用非常廣泛。
到了人工智能時代，不是隻有大模型纔是AI唯一的應用，物聯網邊緣計算其實也有非常大的機會。有數據顯示，到2028年，物聯網設備的數量將增加一倍以上。這不僅帶來了更多邊緣端算力的需求，也對各種物聯網設備之間的互聯、擴展還有安全性都提出了更多的要求。而這也是AMD繼續加碼成本優化型FPGA背後的本質邏輯。
接下來我們就看看這次發佈的Spartan Ultrascale+ FPGA是如何把高端架構下沉到走量的產品中、從而更好的滿足了邊緣端的新需求。這些架構的變革應該也代表了未來FPGA的一個重要的發展方向。我總結了四點，咱們一個一個來看。
2、邊緣AI+FPGA=？
首先，Spartan Ultrascale+根據邊緣端應用的特點，深度優化了I/O密度和性能。高I/O密度指的是，不僅I/O接口的數量要多，而且對於同樣FPGA邏輯單元來說，I/O的比例也要高。行業有個衡量方法，叫I/O邏輯單元比。用這個量化標準，Spartan UltraScale+是前一代產品Spartan7的3.5倍。絕對數量上，它也提供了最高572個、三種不同類型的I/O，支持3.3V電壓，也支持MIPI D-PHY協議、實現3.2G MIPI D-PHY。多說一句，MIPI（移動產業處理器接口）是一個面向移動設備和邊緣應用的接口協議標準，能幫助處理器和核心芯片和傳感器攝像頭這些外設更快的連接。
此外，I/O多還不夠，還需要更高的連接性能。這主要得益於Ultrascale+的加持，新產品的收發器帶寬也得到大幅提升，比如能以16.3Gb/s的速度運行高達8個GTH收發器。和同樣面向嵌入式和邊緣端的另外一個產品線Artix 7相比，Spartan Ultrascale+的收發器帶寬提升2.5倍、MIPI帶寬提升4倍，這對於體積功耗有限的I/O密集型應用非常重要。
比如在工業機器人的應用裡，可以讓一顆FPGA芯片連接多個電機、傳感器、攝像頭、工業網絡等等，很好的支持這些邊緣應用的擴展和互聯。所以說，Spartan Ultrascale+之所以在I/O上下這麼大功夫，本質上就是通過FPGA連接更多設備，也讓更多原本獨立的應用，快速進入到邊緣AI的時代。
對於邊緣計算的場景來說，低功耗也至關重要。這也是AMD把Ultrascale+架構下放到Spartan上的最主要原因之一。一個直觀的優勢，就是16納米這個工藝節點已經優化的非常透徹成熟了，所以整體性能和功耗都已經趨於最好的平衡。比如和28納米的芯片相比，新產品的總功耗能降低達30%，同時性能提升高達1.9倍，一上一下，性能功耗比就拉滿了。邏輯單元數量方面，從11000到218000邏輯單元，一共九款產品，不管是嵌入式應用、服務器板卡管理，還是邊緣計算場景來說，總有一款適合你。同時，新架構上還硬化了LPDDR、PCIeGen4等等這些常見外設控制器IP，不用耗費寶貴的邏輯資源去實現、而且性能更高，讓接口部分的能效提升達60%。可能原來需要更高端（也就更貴）的芯片才能完成的設計，現在用Spartan就能做了。
面對邊緣端應用的特殊需求，這次Spartan Ultrascale+ FPGA還集成了很多專用IP，比如面向安全保護的專用單元。這一方面是保護邊緣計算系統不受威脅，另一方面也是在保護知識產權。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上的關鍵IP，然後自己去做；或者把上面的功能給改了，本來應該救人的功能變成了害人，那後果就嚴重了。
在Spartan Ultrascale+ FPGA裡集成了非常多安全功能，主要分成三類，一個是保護FPGA上的設計和IP，比如使用後量子密碼技術抵禦網絡攻擊和威脅，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，比如可定製的篡改響應、秘鑰管理和針對測信道攻擊的DPA對策；第三就是使用增強的單事件干擾性能，最大限度延長運行時間，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了。
此外，AMD還特別提升了對開發工具易用性的優化。軟件和開發工具，其實是FPGA廠商很深厚的護城河。看過我的書的朋友們應該還記得，FPGA芯片剛出現的時候，FPGA廠商就決定要自己做完整的工具鏈和開發流程，現在回頭看，這其實是個非常明智的決定。
在邊緣應用裡面，很多開發者可能是軟件或算法背景，對FPGA或者硬件開發並不熟悉。如果讓他們去學大量EDA工具，就有點事倍功半的意思了。一個重要的需求，其實就是在統一的開發環境裡進行全流程的開發。就拿Spartan Ultrascale+ 來說，開發這個FPGA只需要學習掌握AMD的Vivado工具就OK了，這裡面集成了仿真綜合佈局佈線優化調試等等FPGA開發全流程，能夠實現所謂的端到端的設計，不用再去學第三方的工具。
這樣最大的好處就是能極大提升開發效率、降低複雜性，加速產品上市，特別是對於那些應用側的開發人員來說尤其重要。我之前做過兩期FPGA的學習路線，分別是和（點擊前面鏈接查看），之後我也會介紹更多FPGA開發的知識和工具的使用技巧，也會帶大家用開發板來做一些項目的實操，所以一定要記得點一下關注。
3、FPGA的未來=？
Spartan Ultrascale+之所以是個小而強大的FPGA，就是因爲它很好的滿足了人工智能時代對FPGA的新需求，這個其實對於整個FPGA產業的發展也算是投石問路，有着挺好的借鑑意義。咱們最後也藉着這個題目稍微發散一下。
首先，技術仍然是最硬的硬道理。FPGA本質還是芯片，芯片本質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、甚至是整個芯片行業在研究和突破的方向。
雖然我們表面上看起來，Spartan和Ultrascale+這一個名一個姓只是排列組合在一起，但它背後蘊含的技術突破還是非常硬核、沒那麼簡單能實現的。與其說UltraScale+這種「高端」架構下沉到Spartan這樣的低端產品上，不如說是技術和需求的雙向奔赴，畢竟能解決問題的技術，纔是有用的技術。
第二，FPGA仍然是不可替代的存在。然後雖然FPGA行業貌似蟄伏了很久，新消息也不是很多，很多人甚至認爲現在GPU一統天下，FPGA已死。但其實事實遠不是這樣。FPGA一個重要的特點就是非常非常長的生命週期，短則五六年，長則十五六年。比如AMD去年還發過消息，說Spartan的上上代產品Spartan6的生命週期至少要延長到2030年。這說明這些FPGA的生產製造技術支持等等將繼續延續，採用Spartan6的產品也不需要被強制更新，而是可以繼續服役。這就很好的體現了FPGA極高的穩定性，也體現了了醫療工業這些FPGA應用領域的穩定性。所以FPGA在這些領域仍然有着不可替代的作用。
當然，在新的時代，FPGA廠商也好、其他芯片廠商也好，也要順應時代，預判別人的預判，找到自己未來的發展方向。我最近看了一個電影《年會不能停》裡就有一句話，解決問題的關鍵，就是找到關鍵的問題。雖然是大鵬在搞笑，但其實解決FPGA未來發展的關鍵問題就是新應用，比如人工智能的邊緣端應用和推理應用，就是FPGA非常適合的領域。找到了方向，也需要提前佈局。再用電影裡的話，拉通上下環節，打組合拳~
最後，軟件工具和IP仍然是王道。FPGA的硬件結構其實已經處於很開放的狀態，裡面長什麼樣已經固定了好多年。但它的核心競爭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工具，以及各種高速接口和安全IP等等，這些纔是FPGA的附加值，也是各個廠商的技術護城河和核心競爭力。
說了這麼多，你是否看好FPGA的未來發展？對Spartan這樣的成本優化型FPGA未來又有怎樣的期待？歡迎在評論區一起聊聊。
（注：本文不代表老石任職單位的觀點。）