新一代的邊緣設備的靈活計算需求是什么？AMD Spartan UltraScale+ FPGA給出答案

預計從20022年至2028年，物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量將會增長2.3倍；這會推動對于更高數(shù)量I/O需求、更通用I/O的需求，以及對于邊緣端安全解決方案的需求。而與之相對的，我們面臨著全球設計工程師資源的稀缺，IBS預測設計工程師的占比不足30%，且難在短時間內(nèi)得到補充。這意味著設計人員的工作負擔不斷加大，必須要提高設計效率。而站在供應商的角度去觀察終端應用市場，邊緣系統(tǒng)往往需要具備較長的生命周期，這就意味著供應商需要為自己的設計方案選擇具備穩(wěn)定長期的供應和維護能力的器件，這樣才能夠實現(xiàn)更高的投入產(chǎn)出比。

而針對未來物聯(lián)網(wǎng)時代的邊緣計算設備的這些設計要求，低成本優(yōu)化型FPGA仍是最佳選擇，因為其能夠提供更高可配置性、靈活的硬件加速 器、?速交換和低延遲操作等優(yōu)勢。但成本優(yōu)化通常會被和低端劃等號，面對本身就頗具門檻的FPGA開發(fā)，當工程師為邊緣計算應用選擇成本優(yōu)化的FPGA時，也應該注重考慮選擇開發(fā)環(huán)境和資源更豐富，制程相對更高的產(chǎn)品。

作為FPGA的發(fā)明者，當年賽靈思（現(xiàn)已并入AMD）不僅以高端FPGA產(chǎn)品線聞名，在成本優(yōu)化型的FPGA產(chǎn)品應用上也碩果累累。自1998年Spartan系列FPGA發(fā)布至今，已經(jīng)在各行各業(yè)取得了成功，在各種智能設備中實現(xiàn)了賦能，包括：自動體外除顫儀、手術機器人、火星探測儀等等。而總結Spartan FPGA能夠在成本優(yōu)化型FPGA這一細分中獲得成功的原因，在于其前瞻的產(chǎn)品特性，能夠滿足長生命周期中應用的前瞻需求。AMD自適應和嵌入式計算事業(yè)部成本優(yōu)化型芯片營銷高級經(jīng)理Rob Bauer表示：“Spartan FPGA把很多前瞻性的產(chǎn)品特性跟比較小型化的器件的尺寸規(guī)格、較低的密度和較優(yōu)化的成本進行了出色的結合，因此備受推崇?！?

而隨著創(chuàng)新應用的發(fā)展，傳統(tǒng)的低端FPGA已經(jīng)無法滿足新的系統(tǒng)設計需求。成本優(yōu)化型的FPGA需要包含哪些前瞻的創(chuàng)新特性，才能讓邊緣設備滿足未來的計算需求？AMD于近日發(fā)布的Spartan UltraScale+ FPGA 系列給出了答案。

新一代成本優(yōu)化型FPGA：更豐富的I/O口資源、低功耗和領先安全功能

據(jù)悉，新一代的Spartan UltraScale+ FPGA 系列（下文簡稱SUS+）具備三大前瞻特性。一是業(yè)界極高的I/O數(shù)量和邏輯單元比，能夠為I/O密集型應用降低成本；二是采用了16nm FinFET工藝，相比上一代28nm器件實現(xiàn)了30%的功耗降低，并通過硬化DDR和PCIe提升了電源效率；三是提供了相比競品更豐富的安全功能，一級獲得NIST批準的后量子密碼技術。

作為新一代的成本優(yōu)化型FPGA產(chǎn)品，AMD在SUS+上提供了豐富且可靠的特性。據(jù)AMD 自適應和嵌入式計算事業(yè)部FPGA成本優(yōu)化型產(chǎn)品組合產(chǎn)品線經(jīng)理Romisaa Samhoud介紹，來自UltraRAM存儲的支持，讓新產(chǎn)品在片上內(nèi)存總數(shù)上也得到了增加，同時也提供了更快的、高達16.3 Gb/s的收發(fā)器速度。其次通過PCIe4的硬化和16納米FinFET技術加持，讓SUS+有更快、更高效的數(shù)字信號處理能力，速度可以多達384個DSP48E2塊。

而談到面向未來的前瞻特性，則需要對于客戶的未來產(chǎn)品需求有著準確的判斷。從來自行業(yè)客戶的反饋來看，更高的IO資源需求、更高的安全等級和對于新一代內(nèi)存標準的支持是必然需求。為此，AMD在SUS+上提供了多達572個I/O，支持3.3V電壓，且支持3.2 G MIPI D-PHY。在安全配置上，提供了后量子密碼技術（PQC）和AES-GCM，另外還有物理不可克隆功能（PUF），進一步減少單一事件干擾（SEU）造成的威脅。同時，SUS+提供了硬化的LPDDR4和LPDDR5內(nèi)存控制器IP，能夠進一步支持4.2G的速度，同時將整個芯片的規(guī)格尺寸微縮至了10×10毫米。

Romisaa表示，Spartan UltraScale+非常高的I/O和邏輯單元比，這對于客戶設計中的I/O擴展、電路板管理和膠合邏輯上都是非常重要的。而SUS+上的I/O不僅數(shù)量多，還更具靈活性，這種靈活性在工業(yè)機器人等應用中頗為重要，可以讓SUS+更方便雨各種不同的傳感器、攝像頭、機動馬達和工業(yè)網(wǎng)絡進行連接，從而實現(xiàn)統(tǒng)籌管理。

從實際的對比來看：新一代SUS+系列的SU10P比上一代的Sparan7系列的7S50，通過工藝演進在更小的面積上實現(xiàn)了更高的IO資源；而新一代SUS+系列的SU55P比Artix7系列的7A100T，通過硬化控制器IP和先進工藝實現(xiàn)了更低成本和更小面積。簡言之，對于客戶而言，要實現(xiàn)同樣的設計目標，選擇了新一代的SUS+的產(chǎn)品，就能夠節(jié)省為了構建內(nèi)存控制器所占用的邏輯資源塊，這也意味著可以選擇更具性價比的型號配置。而且硬化IP提供了更完備的設計驗證，減少了客戶的開發(fā)周期。此外，面積上的減少是顯而易見的，這也將幫助客戶有效節(jié)省整個架構空間。

一致的開發(fā)工具：實現(xiàn)全平臺產(chǎn)品的全鏈條開發(fā)體驗

成本優(yōu)化型的FPGA，他們的場景更多在嵌入式領域。而這些系統(tǒng)開發(fā)人員，往往并不具備那么高的硬件邏輯開發(fā)能力。而當他們面對著市場上多種產(chǎn)品和工具時候，更是提高了其入門門檻。因此我們認為，對于成本優(yōu)化型的FPGA而言，更需要給設計者提供有好用的、一致的設計工具、豐富的設計資源和生態(tài)支持。

在這方面，AMD VIVADO 設計工具一直居于領先地位。Romisaa表示，AMD是為客戶提供了一套統(tǒng)一的工具，這套工具適用于所有AMD的FPGA產(chǎn)品組合，客戶可以在從設計、仿真到調(diào)試的整個設計流程都使用它。除了一致性之外，這套工具還能夠優(yōu)化客戶的開發(fā)效率，Vivado工具套件可以產(chǎn)生值得信賴的結果：包括計件時序的模型同時能夠滿足時序要求，在不同工藝、電壓和溫度方面給客戶提供他們所想要的使用效果等。

Romisaa強調(diào)：“AMD VIVADO 設計工具最大的優(yōu)勢，就是我們的集成和整合。其他供應商的現(xiàn)狀是非常分散化、碎片化的流程，但是AMD的思路，是把它做到了統(tǒng)一?！?如果客戶持續(xù)選擇AMD的FPGA產(chǎn)品，那么可以獲得來自VIVADO的一致的端到端開發(fā)體驗，客戶只需要一次學習，就可以將經(jīng)驗多次運用在各種不同的產(chǎn)品中。

而除了開發(fā)上的支持外，AMD也承諾要為SUS+提供超過15年的產(chǎn)品生命周期保證。從2009年開始，AMD已經(jīng)陸續(xù)推出了5代成本優(yōu)化型FPGA產(chǎn)品，每一代的生命周期也都提供超過了15年的產(chǎn)品供貨保障。不僅于此，AMD還會與供應商合作，針對一些產(chǎn)品在標準生命周期之外提供延長的生命周期，這也進一步幫助客戶提高了投入產(chǎn)出比。Rob表示，做出好承諾很容易，難點在于是否真的能夠兌付承諾，實現(xiàn)對客戶的長期支持。“在近40年FPGA行業(yè)深耕歷史里，可以看到我們一次又一次踐行這樣的承諾。通過收購賽靈思，AMD現(xiàn)在有一個非常穩(wěn)健的業(yè)界履歷，能夠來持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展FPGA產(chǎn)品，來為這樣的承諾去繼續(xù)兌現(xiàn)?！盧ob充滿信心。

結語

當我們提到成本優(yōu)化型FPGA，往往與簡化邏輯資源、有限I/O和較低制造工藝聯(lián)系在一起。誠然，在成本受限的系統(tǒng)設計中，對于價格、功耗和尺寸的要求更為敏感；但隨著一系列創(chuàng)新應用的發(fā)展、隨著邊緣AI的深化，成本優(yōu)化型FPGA也不再與低端劃等號，而是會在滿足邊緣端側設備功耗水平基礎上，提供更高的功能性和靈活性。此次AMD推出的SUS+，是針對下一代、新一代的邊緣設備做設計考量的，該系列以更高的I/O數(shù)、硬化控制器、先進的安全特性和16nm工藝等特色，成為了業(yè)界新一代成本優(yōu)化型FPGA產(chǎn)品的標桿。