[導讀]FPGA(現(xiàn)場可編輯門陣列)作為賽靈思(Xilinx)的一項重要發(fā)明,以其可編程和靈活性著稱。起初,F(xiàn)PGA只是用來仿真ASIC,再進行掩碼處理和批量制造使用。不過ASIC相比FPGA來說明顯在定制化上要求過高,流片量過小情況下成本反而更高,因此兩者毫不沖突地“各司其職”。而后,隨著加速器的出現(xiàn)和算力提升,目前已成為與GPU齊名的并行計算器件。
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FPGA(現(xiàn)場可編輯門陣列)作為賽靈思(Xilinx)的一項重要發(fā)明,以其可編程和靈活性著稱。起初,F(xiàn)PGA只是用來仿真ASIC,再進行掩碼處理和批量制造使用。不過ASIC相比FPGA來說明顯在定制化上要求過高,流片量過小情況下成本反而更高,因此兩者毫不沖突地“各司其職”。而后,隨著加速器的出現(xiàn)和算力提升,目前已成為與GPU齊名的并行計算器件。
如今,F(xiàn)PGA已進發(fā)數(shù)據(jù)中心領域,相比CPU和GPU,F(xiàn)PGA所需器件更少,功耗也更優(yōu)。賽靈思依靠其“數(shù)據(jù)中心優(yōu)先”、“加速核心市場發(fā)展”、“驅(qū)動自適應計算”的三大戰(zhàn)略加持下,使其ACAP平臺和Alveo加速卡在數(shù)據(jù)中心市場極具競爭力。
除此之外,賽靈思曾為筆者展示過其云服務商領域的“一體化SmartNIC平臺”、消費領域的“FPGA TCON”方案、工業(yè)領域的Zynq SoC系列方案。
實際上,根據(jù)賽靈思透露,醫(yī)療領域已占據(jù)賽靈思營收非常重要的比重,并且一直在11%-15%的速度增長。那么賽靈思是依靠什么FPGA產(chǎn)品占據(jù)的醫(yī)療市場,F(xiàn)PGA器件在醫(yī)療設備中扮演什么角色?
日前,賽靈思為記者介紹了近期在醫(yī)療科學和醫(yī)療設備方面的成果,21ic中國電子網(wǎng)記者受邀參加此次采訪。
信息顯示,全球人均醫(yī)療支出每年都在增長,隨著人口老齡化加劇,消費者對醫(yī)療條件和醫(yī)療成本都有著極高的預期。另一方面,隨著疫情的爆發(fā),市場對病情的及早發(fā)現(xiàn)和診斷的快速分析有了更高的要求,這就需要醫(yī)療器械成本的進一步降低和算力的提升。
FPGA器件自身擁有可編程特性,借助這種優(yōu)勢,可避免ASIC器件前期高昂的一次性工程費用,消除最低訂單數(shù)量和多芯片迭代風險和損失。醫(yī)療行業(yè)本身是與科技發(fā)展聯(lián)系最為緊密的行業(yè)之一,伴隨FPGA器件的不斷迭代升級,更多新設備出現(xiàn),引領了新的治療方法、治療途徑、治療理念的改變。
賽靈思醫(yī)療科學全球業(yè)務市場負責人Subh Bhattacharya
根據(jù)Subh Bhattacharya的介紹,賽靈思的FPGA器件在醫(yī)療領域的應用主要分為三類:臨床、醫(yī)療成像和診斷分析。
臨床設備數(shù)量大種類多,因此需要靈活性極強的FPGA。需要注意的是,部分設備直接影響患者生命安全,對啟動速度、安全穩(wěn)定性、時延要求極高;部分設備在便攜性上則有一定要求,對功耗、小尺寸有很大需求。
根據(jù)Subh的介紹,在臨床方面,賽靈思的Zynq UltraScale+ MPSoC(下文簡稱為“ZU+ MPSoC”)是一個高度集成的平臺,集成多個處理器,擁有可編程邏輯,此外還集成了信息安全和功能安全功能。Subh強調(diào),這個技術(shù)平臺的強大功能和性能非常適合在臨床環(huán)境應用之中,包括從云端到邊緣。
Subh為記者展示了幾個利用該平臺解決臨床環(huán)境的實例:
其一是賽靈思與Spline.AI和AWS(亞馬遜云服務)合作開發(fā)的醫(yī)療AI,利用ZU+MPSoC的ZCU104平臺作為邊緣設備,實現(xiàn)的高精度低時延的醫(yī)療X射線分型深度學習模型和參考設計。該方案可獨立自主根據(jù)Chest X-Ray預測疾病,也可預測COVID-19和肺炎,也可開發(fā)定制模型供臨床使用。另外,ZCU104支持開源語言PYNQ語言下開發(fā),也可借助AWS IoT Greengrass實現(xiàn)進一步的擴展和部署。該方案發(fā)揮了ZU+ MPSoC的高性能和擴展性,賦予了低成本醫(yī)療設備高精度的診斷。
其二是賽靈思為奧林巴斯內(nèi)窺鏡核心技術(shù)提供支持。該方案發(fā)揮了ZU+ MPSoC在啟動速度、功耗和低時延的特性。
其三是賽靈思為Clarius超便攜高性能超聲波系統(tǒng)。該方案發(fā)揮了ZU+ MPSoC片上雙ARM處理器和FPGA的小尺寸封裝特性,實現(xiàn)了超便攜。
究其歷史,Zynq SoC是賽靈思在2011年推出的全球首款集成ARM內(nèi)核的產(chǎn)品,彼時該平臺稱為“可擴展的處理器平臺”,主要是為了將市場擴展到嵌入式應用之中。此前FPGA多用作輔助芯片,自從引入更多功能的集成SoC平臺之后,ARM GPU、數(shù)據(jù)安全處理器、功能安全處理器都被集成在單芯片之中。Subh表示,經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)型之后,賽靈思從每年5%-6%的收入增長,實現(xiàn)了到14%-15%的收入增長,2.5倍的增長率全要歸功于這樣的技術(shù)平臺。
除此之外,Subh還為記者展示ZU+ MPSoC在醫(yī)療安全上的解決方案。“目前,全球安裝的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設備超過1億臺,到2020年將增長到1.61億臺。醫(yī)界高管認為 59%隱私問題, 55%老舊系統(tǒng)集成和54%安全問題,是阻礙當今醫(yī)療機構(gòu)采用物聯(lián)網(wǎng)的三大障礙?!?/span>
Subh表示,賽靈思可以利用可編程平臺,不斷適應新的安全防護措施,這種升級囊括了軟件和硬件。最終體現(xiàn)在SoC上的,就是認證與加密啟動、安全啟動、測量啟動、安全應用通信、基于云的監(jiān)測等功能。
大型醫(yī)療成像設備使用FPGA器件已經(jīng)是基本操作,Subh為記者介紹,在醫(yī)療成像方面,主要包括CT、超聲、X射線、PET、MRI掃描儀等。
對于醫(yī)療成像,Zynq UltraScale+ MPSoC同樣適用。Subh表示,除此之外還有Versal ACAP,這個系列可以理解為下一代的MPSoC,Versal ACAP在成像領域具有非常大優(yōu)勢。
Versal ACAP除了擁有ARM多處理器集成、可編程邏輯、DSP以外,還加入了AI引擎,即SIMD、VLIW這樣的單元,可以支持很多類似操作的平行處理。
Subh為記者展示了超聲波圖像重構(gòu)與計算機輔助診斷的方案,利用賽靈思的軟硬件支持,能夠降低功耗和熱度范圍、降低解決方案成本、延長設備使用壽命、低時延邊緣推斷,雖然市場非常復雜,賽靈思的技術(shù)也能夠大大提高生產(chǎn)力。
Subh表示,除了SoC和FPGA,賽靈思還提供即插即用的Alveo加速卡,正因這是一種PCle的解決方案,因此可以大大降低開發(fā)時長。根據(jù)介紹,Alveo加速卡適用于任何通用PC,既可以加速CPU的普通任務,也可以加速其他的GPU的任務,最終實現(xiàn)高吞吐量和超低時延。其獨特的算力和靈活應變能力,可以大大加速很多的醫(yī)療應用。
聯(lián)影醫(yī)療(United Imaging)是一家中國公司,這家公司在使用Alveo U200加速卡替代傳統(tǒng)GPU時發(fā)現(xiàn),Alveo的技術(shù)成本更低、功耗更低,并且無需犧牲任何性能或是開發(fā)進度。
醫(yī)療設備中使用CPU或者GPU產(chǎn)品的方案也屢見不見,為何FPGA擁有如此卓著效果,甚至有著替代CPU和GPU的“魔力”?實際上,CPU和GPU都屬于馮諾依曼結(jié)構(gòu),F(xiàn)PGA能夠突破結(jié)構(gòu)上的限制因此擁有極強的能效。
具體來說,CPU和GPU需要使用SIMD(單指令流多數(shù)據(jù)流)來執(zhí)行存儲器、譯碼器、運算器、分支跳轉(zhuǎn)處理邏輯等,F(xiàn)PGA則在燒寫時已經(jīng)確定每個邏輯單元的功能,因此不需要指令;另外,CPU和GPU在內(nèi)存使用中是共享的,因此就需要訪問仲裁,執(zhí)行單元間的私有緩存使得部件間要保持緩存一致性,同樣在燒寫過程中FPGA已明確通信要求,因此無需共享內(nèi)存進行通信。
得益于此,F(xiàn)PGA擁有極強的浮點乘法運算能力,而且對比同樣是浮點運算的GPU延遲更低。這是因為,F(xiàn)PGA同時擁有了流水線并行和數(shù)據(jù)并行,而GPU只有數(shù)據(jù)并行。
從算力上來說,賽靈思還將FPGA器件轉(zhuǎn)變?yōu)榱薙oC進行加速和自適應。賽靈思在加速上通過標量引擎實現(xiàn),包括ARM、應用處理器和實時處理器,而自適應引擎的核心便是可編程邏輯器件FPGA,另外還配備智能引擎,目前配備的是DSP。特別是,在Versal ACAP的平臺上還會將會有AI引擎進行支持,進一步進行加速和自適應。
“在醫(yī)療領域,諸如內(nèi)窺鏡這種應用,手術(shù)中患者擁有一個共同的要求,就是時延非常低,甚至需要實時來完成。從攝像頭捕捉圖像,經(jīng)過管線處理,再到顯示屏可能不到20微妙的時間。CPU和GPU達不到FPGA如此低的時延,因此這就是FPGA相比CPU和GPU的最大優(yōu)勢”,Subh繼續(xù)為記者介紹,從功耗、成本和集成上,賽靈思SoC的FPGA也擁有更好的優(yōu)勢。
“很多領域,諸如視覺化,GPU使用很多年了,F(xiàn)PGA并不是做不到,不過我們還是會專注在優(yōu)勢的領域,即在封閉空間內(nèi)做數(shù)據(jù)移動,而非斷斷續(xù)續(xù)的內(nèi)存上傳的情境”,Subh坦言。
能夠在醫(yī)療領域,兼顧擁有業(yè)界領先的AI時延與性能,生命周期延長、高質(zhì)量、高可靠性、高安全性,實時、確定性控制與接口的僅賽靈思一家。
賽靈思除了提供FPGA和 SoC這樣的硬件器件及平臺以外,還專門為降低FPGA 開發(fā)門檻滿足廣泛市場應用需求量身定制了Vitis AI統(tǒng)一軟件平臺。之前筆者也曾多次介紹這款軟件平臺,算法工程師無需硬件設計經(jīng)驗,也可直接應用算法的實現(xiàn)。
賽靈思的醫(yī)療解決方案幫助了Illumina對重癥新生兒做基因組分析,為ICU患者和重癥患者加速推進eyetech的基于眼球追蹤的溝通平板電腦,與邁瑞合作以抗擊新冠疫情。FPGA就是在不經(jīng)意間為聲名增添了一份敬畏。
筆者認為,賽靈思的FPGA器件從高性能加速和自適應兩方面著手,成為了其在市場立足的最大競爭力。一方面,F(xiàn)PGA、ARM、應用處理器、實時處理器、DSP、AI引擎利用片上系統(tǒng)(SoC)和軟件進行高度集成,既增強了算力也增強了應用的擴展性;另一方面,F(xiàn)PGA本身擁有的低延時性,對于時延要求極高的醫(yī)療領域可以說是“天生一對”。
從市場上來分析,隨著疫情的爆發(fā),醫(yī)療設備市場需求持續(xù)增加,其中不乏大型數(shù)據(jù)分析和便攜性要求極高的設備,這剛好吻合了FPGA SoC的特點。另一方面,醫(yī)療水平的提升和市場馬太效應之下,更具能效和低功耗優(yōu)勢的FPGA產(chǎn)品需求量持續(xù)增加。
從軟件上分析,賽靈思的Vitis平臺適用于不同人群,包括熟練掌握HDL語言的硬件工程師,熟練掌握各大編程語言的軟件工程師,也適用于熟練掌握TensorFlow、Caffe、PyTorch的算法工程師。利用這種靈活性,可以讓許多有創(chuàng)意的初創(chuàng)公司有了施展拳腳的可能。
通過賽靈思的介紹,可以說無論是大型設備還是便攜設備,F(xiàn)PGA都有其一席之地。
未來賽靈思醫(yī)療創(chuàng)新之路該如何發(fā)展?Subh表示,在醫(yī)療產(chǎn)品上賽靈思將不斷提高集成度并降低封裝尺寸,另一方面,將會不斷發(fā)展異構(gòu)計算提高效率和性能。
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