FPGA助威，AMD“大殺四方”

作者：暢秋

自適應(yīng)計(jì)算，這一創(chuàng)新理念可以給行業(yè)帶來(lái)什么？加入AMD之后，賽靈思（Xilinx）給出了更豐富的答案。

對(duì)一名軟件工程師來(lái)說(shuō)，如果在固定的CPU或GPU上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，需要改變或優(yōu)化軟件來(lái)適應(yīng)硬件。那么，是否可以反過(guò)來(lái)操作呢？也就是根據(jù)固定的應(yīng)用和軟件，通過(guò)一個(gè)包括開(kāi)發(fā)工具、加速的API和庫(kù)，可以讓硬件去適應(yīng)軟件，而不是讓軟件適應(yīng)硬件，也就是說(shuō)，這個(gè)硬件是軟件定義、可編程的。這就是自適應(yīng)計(jì)算的概念。這種自適應(yīng)計(jì)算平臺(tái)支持根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)定制硬件，以?xún)?yōu)化系統(tǒng)，且這種優(yōu)化是可以持續(xù)不斷進(jìn)行的，即使產(chǎn)品量產(chǎn)后，在部署階段也能進(jìn)行這樣的優(yōu)化。

為什么需要自適應(yīng)計(jì)算？

目前，業(yè)界已經(jīng)有多種成熟的計(jì)算平臺(tái)，比如CPU、GPU、DSP等，為什么還需要自適應(yīng)計(jì)算這種新的計(jì)算形式呢？有以下幾點(diǎn)原因。

首先，創(chuàng)新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，特別是在AI領(lǐng)域，這些創(chuàng)新受制于傳統(tǒng)硬件，如硬件平臺(tái)的功能、架構(gòu)、內(nèi)存系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)通道都是固定的，開(kāi)發(fā)時(shí)，必須首先通過(guò)修改、更新算法或軟件來(lái)適應(yīng)硬件。但是，用戶(hù)期望找到一個(gè)最適合已有算法實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)來(lái)提供想達(dá)到的性能。

其次，可以根據(jù)應(yīng)用對(duì)硬件進(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化，這樣能夠提升應(yīng)用的整體性能。比如可以在整個(gè)數(shù)據(jù)通路進(jìn)行硬件加速，不只包括像AI的模型本身，還包括輸入和輸出數(shù)據(jù)的處理，且中間每個(gè)環(huán)節(jié)都可以進(jìn)行優(yōu)化，這樣可以為應(yīng)用提供非常高的效率。

第三，為了讓更多的開(kāi)發(fā)者獲益于自適應(yīng)計(jì)算硬件平臺(tái)的高效率，可以在易用性上做很多工作。通過(guò)為開(kāi)發(fā)者提供他們熟悉的語(yǔ)言、編程框架和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及足夠的加速API庫(kù)和參考設(shè)計(jì)，可大幅降低自適應(yīng)計(jì)算的門(mén)檻，可以讓開(kāi)發(fā)者快速上手設(shè)計(jì)。

自適應(yīng)計(jì)算應(yīng)用拓展

以上這些，正是賽靈思在做的事情。AMD大中華區(qū)銷(xiāo)售副總裁唐曉蕾（Maria Tang）表示，加入AMD之后，該公司可以在更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域拓展其自適應(yīng)計(jì)算理念，并不斷創(chuàng)新?；?a class="article-link" target="_blank" href="/article/1664978.html">FPGA的靈活特性，除了數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算，自適應(yīng)計(jì)算解決方案在汽車(chē)、醫(yī)療、消費(fèi)類(lèi)電子、工業(yè)和智能檢測(cè)等方面也有很大的發(fā)展空間。當(dāng)下，汽車(chē)行業(yè)正在朝電氣化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。

汽車(chē)行業(yè)主要關(guān)注三個(gè)方面：

一是信息娛樂(lè)，也就是座艙的數(shù)字化；

二是先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），目前發(fā)展到了L2 plus，L2 plus又包含兩個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)是邊緣側(cè)的，主要包括各種傳感器，從攝像頭到雷達(dá)，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生、收集數(shù)據(jù)，這方面，AMD主要發(fā)揮的作用是把數(shù)據(jù)系統(tǒng)化，完成數(shù)據(jù)的對(duì)齊和打包分發(fā)，另外一個(gè)是Domain Control（域控制器），主要用于數(shù)據(jù)融合，即Data Aggregation，在Data Aggregation之后再放置中央處理單元，讓處理單元能夠得到更好的效率提升；

三是自動(dòng)駕駛，它涉及機(jī)器人出租車(chē)、上門(mén)送貨車(chē)、商用車(chē)隊(duì)用車(chē)等細(xì)分領(lǐng)域。

在醫(yī)療領(lǐng)域，自適應(yīng)架構(gòu)能夠加速臨床診斷，為醫(yī)生帶來(lái)很多便捷性。目前，內(nèi)窺鏡國(guó)產(chǎn)化率比較高，這方面， AMD的FPGA產(chǎn)品MPSoC接受度比較高，該產(chǎn)品的功耗比較低，實(shí)時(shí)性、帶寬都很好。內(nèi)窺鏡圖像越來(lái)越清晰，MPSoC可以讓圖像對(duì)比度更高，讓醫(yī)生有一個(gè)更明確的判斷。

此外，MPSoC加入了AI推理功能，它可以提示醫(yī)生看到一些之前沒(méi)有看清楚，或者忽略的東西，讓他能夠重點(diǎn)關(guān)注，從而提升工作效率。在音視頻消費(fèi)領(lǐng)域，專(zhuān)業(yè)音視頻細(xì)分市場(chǎng)里，LED電視墻是一個(gè)最大的商顯空間，隨著成本下降，LED也會(huì)進(jìn)入越來(lái)越多的高端會(huì)議室，甚至進(jìn)入家庭。

在作息管理、調(diào)度系統(tǒng)以及投影儀系統(tǒng)領(lǐng)域，都有AMD的產(chǎn)品做支撐。在消費(fèi)者應(yīng)用領(lǐng)域，如智慧家庭，隨著疫情的發(fā)展，大家發(fā)現(xiàn)在家里面打高爾夫是一個(gè)很不錯(cuò)的休閑娛樂(lè)和鍛煉身體的方式，近兩年高爾夫模擬器需求量明顯增長(zhǎng)，這種模擬器主要是用一個(gè)高速攝像頭抓拍球的旋轉(zhuǎn)來(lái)判斷它的運(yùn)動(dòng)軌跡，它對(duì)高帶寬、低延時(shí)的要求很高，這方面，AMD的FPGA優(yōu)勢(shì)明顯，且具備AI預(yù)判功能。

工業(yè)應(yīng)用一直是AMD非常關(guān)注的市場(chǎng)。工業(yè)創(chuàng)新得益于智能制造，唐曉蕾表示，智能制造從傳感、控制、計(jì)算和互聯(lián)各層面全方位地發(fā)揮了AMD產(chǎn)品的帶寬、豐富的IO接口、計(jì)算、授時(shí)（可以做高精度授時(shí)）等優(yōu)勢(shì)。隨著新基建在中國(guó)的推廣，在工程領(lǐng)域，數(shù)字孿生能讓VR顯示和設(shè)備數(shù)字化得以實(shí)現(xiàn)。

還有一個(gè)場(chǎng)景是智能倉(cāng)儲(chǔ)，這里面的AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)）和自動(dòng)抄表都是AMD及其客戶(hù)一直努力耕耘的領(lǐng)域。智能檢測(cè)、視覺(jué)檢測(cè)也是AMD關(guān)注的領(lǐng)域。唐曉蕾表示，近些年，熄燈工廠成為產(chǎn)業(yè)熱詞，工廠里一個(gè)人都沒(méi)有，但是可以做出質(zhì)量很高的產(chǎn)品，效率很高，同時(shí)節(jié)能環(huán)保，這背后都有AMD的產(chǎn)品做支持。

在傳統(tǒng)行業(yè)，特別是TME（測(cè)試、測(cè)量和仿真）儀器儀表行業(yè)，可以看到很多創(chuàng)新，唐曉蕾談到了移動(dòng)電話的測(cè)試，她表示，5G手機(jī)和基帶已經(jīng)是一個(gè)成熟市場(chǎng)，在測(cè)試過(guò)程中，AMD的RFSoC得到了非常廣泛的使用。

異構(gòu)和軟硬件融合帶來(lái)更多創(chuàng)新

在談到技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新時(shí)，唐曉蕾表示，在16nm、14nm制程芯片開(kāi)始量產(chǎn)的時(shí)候，AMD就明顯感受到了摩爾定律的放緩，那時(shí)，該公司就已經(jīng)開(kāi)始做相應(yīng)的技術(shù)積累了，隨著AMD的Chiplet和3D封裝技術(shù)逐步成熟，可以看到越來(lái)越多的客戶(hù)使用這些先進(jìn)技術(shù)，而不再像以前那樣，只是靠制程節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的提升。

唐曉蕾認(rèn)為，異構(gòu)計(jì)算是驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)性能提升最關(guān)鍵的因素，串行計(jì)算也好，并行計(jì)算也好，都是異構(gòu)計(jì)算的一部分，除了在制程節(jié)點(diǎn)上驅(qū)動(dòng)芯片創(chuàng)新，AMD也在系統(tǒng)、平臺(tái)層面為客戶(hù)提供更多幫助。AMD有一個(gè)新的自適應(yīng)架構(gòu)，叫XDNA，它主要是把AIE和FPGA連接在一起，目的是讓客戶(hù)的數(shù)據(jù)流架構(gòu)能夠順利地流轉(zhuǎn)，在處理過(guò)程中把存儲(chǔ)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)全部處理完再移到下一個(gè)處理環(huán)節(jié)。

不止芯片，AMD也很重視平臺(tái)化創(chuàng)新，唐曉蕾表示，對(duì)客戶(hù)，特別是對(duì)新客戶(hù)來(lái)講，直接拿到芯片難以做到快速上市，大家更需要系統(tǒng)級(jí)模塊（SOM）。為此，AMD于2021年推出了一個(gè)SOM板，還推出了一個(gè)針對(duì)視覺(jué)應(yīng)用的KV260，KV260主要的應(yīng)用場(chǎng)景是攝像頭和零售分析，如智慧超市，很多工作是通過(guò)視覺(jué)來(lái)完成的，此外，還有智慧工廠里的機(jī)器視覺(jué)。在這些應(yīng)用領(lǐng)域，客戶(hù)對(duì)AMD的需求不僅僅是芯片，SOM板能夠幫助客戶(hù)盡快實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)。

唐曉蕾表示，未來(lái)，AMD會(huì)更多地針對(duì)功耗、尺寸和成本受限的應(yīng)用，推出具備更高設(shè)計(jì)水平的SOM版，以幫助客戶(hù)把他們的時(shí)間精力集中在自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，讓大家能夠更快速地使用這個(gè)產(chǎn)品，更快的完成創(chuàng)新。除了芯片和系統(tǒng)級(jí)模塊，軟件工具也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。

對(duì)于FPGA，AMD希望用戶(hù)能夠像玩樂(lè)高一樣簡(jiǎn)單地對(duì)其進(jìn)行操作和應(yīng)用，為此，該公司用統(tǒng)一的軟件、各種各樣的IP和解決方案讓用戶(hù)類(lèi)似于拼積木，或者只需要寫(xiě)非常簡(jiǎn)單的代碼就能夠把整個(gè)應(yīng)用搭起來(lái)，用異構(gòu)、統(tǒng)一的軟件平臺(tái)等方式進(jìn)行加速，以期實(shí)現(xiàn)最好的效率。

目前，對(duì)于廣大開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，軟件層面需要花很大的功夫，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)成本是除了硬件成本以外，很大的一部分開(kāi)銷(xiāo)。而在廣大的開(kāi)發(fā)者群體當(dāng)中，大多是軟件開(kāi)發(fā)者，他們用的多是JAVA、C、Python、C++等語(yǔ)言，而會(huì)用、常用VHDL等硬件語(yǔ)言的人數(shù)相對(duì)稀缺。這就需要FPGA廠商想辦法將那一大部分軟件開(kāi)發(fā)者吸引過(guò)來(lái)，在不會(huì)使用硬件描述語(yǔ)言的前提下，會(huì)用、喜歡用，進(jìn)而離不開(kāi)以FPGA為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，這就需要廠商提供一套豐富的、簡(jiǎn)單易用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

不過(guò)要實(shí)現(xiàn)這樣的平臺(tái)絕非易事，它雖然方便了開(kāi)發(fā)者，但對(duì)于開(kāi)發(fā)這套軟件平臺(tái)的廠商來(lái)說(shuō)，是個(gè)不小的系統(tǒng)工程。Vitis，就是一個(gè)面向軟件開(kāi)發(fā)者的集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境和平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者可以用他們熟悉的高層次語(yǔ)言，如C、C++和Python來(lái)進(jìn)行編程；Vitis還提供了一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)AI推理的開(kāi)發(fā)平臺(tái)Vitis AI，AI開(kāi)發(fā)者可以使用他們熟悉的框架，比如TensorFlow、PyTorch、Caffe來(lái)訓(xùn)練他們的模型，然后用Vitis AI來(lái)部署這些模型，讓模型能夠高效地在硬件平臺(tái)上執(zhí)行。

唐曉蕾表示，AMD提供了一個(gè)異構(gòu)軟件平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)上既有Vitis，也有EDA后端工具Vivado。習(xí)慣使用C或C++的軟件開(kāi)發(fā)者，適合用Vitis，而對(duì)于硬件開(kāi)發(fā)者而言，則更習(xí)慣用編程語(yǔ)言Vivado。此外，AMD還做了很多加速庫(kù)，為廣大軟件開(kāi)發(fā)者提供了更多的拓展空間。