利用成本优化型 FPGA 和自适应 SoC 释放创新潜能白皮书

利用成本优化型FPGA和自适应SoC释放创新潜能 在不降低性能或效率的前提下提升设计水准 概述 概述2 电子产品设计的当前趋势与挑战3 随着物联网(IoT)、机器视觉和AI等创新技术进入边缘计算领域，开发者需要更灵活、节能和低成本的全新架构。本电子书介绍了FPGA、自适应SoC、ASIC和其他标准处理器之间的区别，旨在帮助创新者确定最适合自身应用的方案。 可编程逻辑的优势5 自适应计算：不仅限于可编程逻辑6 本电子书主要侧重于为读者介绍成本优化型FPGA和自适应SoC技术，说明这些技术如何在不降低性能或效率的前提下，为硬件设计提供软件编程能力带来的灵活性优势。 AMD成本优化型FPGA产品组合 8 AMD SPARTAN™ULTRASCALE+™ FPGA系列11 本电子书还探索了AMD成本优化型器件的未来发展，介绍了AMD对于低密度和中端FPGA成本优化型产品组合(COP)的长期承诺，以及该产品组合如何有助于为几乎所有应用提供可编程逻辑的优势。 选择合适的可编程器件13 选择合适的合作伙伴 14 AMD - FPGA领域的佼佼者 适用于人工智能和机器学习的FPGA16 成本优化型FPGA的应用17 总结 更多资源19 电子产品设计的当前趋势与挑战 概述2 电子产品设计的当前趋势与挑战3 灵活性：适应性或许是开发者要应对的最重要的设计挑战。通过可编程解决方案，开发者可以轻松开发系统，也能在系统部署后轻松执行更新。在系统硬件方面，开发者需要同样的灵活性，以便随着时间的推移做出调整，满足不断变化的应用要求。这其中包括在部署后更换硬件的能力。 AI在边缘计算领域的应用：物联网最主要的优势之一莫过于利用数据推动人工智能(AI)发展。随着AI进入边缘计算领域，器件的智能化水平和功能都需要加强，以便进一步实施或支持AI。从收集传感器数据、处理数据直到采取行动，必须确保较低的延迟，以提供实时响应能力。 每一轮创新浪潮都会带来新应用和新的设计挑战。本部分介绍了当今推动电子行业发展进步的一些行业和技术趋势。 可编程逻辑的优势5 自适应计算：不仅限于可编程逻辑6 趋势 I/O：联网的优势不容忽视，在未来几年内，几乎所有嵌入式设备都有可能接入网络。为了读取这些设备要连接的各类传感器，需要更多的I/O。2022年，仅汽车应用领域的传感器市场体量就达到了345.9亿美元，预计未来10年间将会增加一倍以上，达到764.3亿美元1。实时响应能力让系统能够立即使用数据，在每一个层面上提高效率。 设计挑战 AMD成本优化型FPGA产品组合 8 每一次技术进步都会带来新的设计挑战。例如，互联网自诞生至今，已经给几乎每个行业带来了巨大的价值。但与此同时，它也给开发者带来了层出不穷的新难题，例如管理有线/无线连接、管理海量数据，以及保障数据安全等等。未来几年间，开发者需要应对以下许多挑战： AMD SPARTAN™ULTRASCALE+™ FPGA系列11 能效：过去十年间，节能成为消费者和企业心目中日渐重要的一个课题。一方面，人们对节能更加重视，另一方面，器件供电运营成本却居高不下，这共同促成了一种趋势：尽可能降低每种电子器件的功耗，尤其是始终保持开启状态的联网器件。高度集成的器件（有时也称为系统级芯片(SoC)）具有在单一器件上整合多种功能的额外优势，不但能缩小系统的整体外形尺寸，还有助于降低能耗。 选择合适的可编程器件13 选择合适的合作伙伴 14 安全性：随着网络攻击日渐猖獗，加之其会对企业盈利造成重挫，这凸显了物联网安全性的重要意义。然而，数据泄露的真实代价其实很难衡量。除了罚款和恢复成本等直接代价之外，还有客户信任损失、整体品牌形象遭到破坏等潜在影响。 AMD - FPGA领域的佼佼者 适用于人工智能和机器学习的FPGA16 成本优化型FPGA的应用 17 总结18 更多资源 19 管理I/O：更多的传感器对I/O提出了更高的要求。然而，标准处理器能够提供的I/O有限。开发者需要找到一种架构来支持更多I/O，或者将多个数据源整合到一个I/O通道之中。 数据预处理：AI在边缘计算部署中的重要性与日俱增，系统需要能够更快地处理更多数据，这其中包括数据的存储与处理。标准化架构能够有效支持的数据和处理类型往往有限。开发者需要具备灵活适应能力的架构，从而根据相关的应用、数据和应用场景对其加以定制。 概述2 电子产品设计的当前趋势与挑战3 尽可能降低延迟：延迟会影响性能和能效。为了实现实时响应，系统需要在各个层面进行优化，从而尽可能减少延迟。数据收集、存储和/或传输速度直接影响到器件的响应速度和功耗。 可编程逻辑的优势5 面向未来：快速的创新步调加快了系统更新的频率。一年一次的软件更新已经无法再满足许多系统的需求。更新的原因多种多样，其中包括： 自适应计算：不仅限于可编程逻辑6 •实施漏洞修复•添加新功能•修补新的安全漏洞•通过持续的算法开发，逐渐提高性能和效率•记录和收集新的操作数据，以执行预测性维护 不断发展变化的安全领域：安全性是一个动态多变的目标。业界会不时发现新漏洞，无论安全系统有多强大，都必须能够与时俱进，抵御新的漏洞。此外，为了确保安全性，互联系统要保护的不只有数据，还有代码及其操作。另外还必须妥善实施安全措施，以免主处理链不堪重负，或者系统电力耗尽。为此，开发者需要一种高效且灵活的架构。 AMD成本优化型FPGA产品组合8 AMD SPARTAN™ULTRASCALE+™ FPGA系列11 由于许多嵌入式应用高度复杂，系统的某些部分可能需要每周乃至每天更新一次。最重要的是，更新必不可少。但传统处理器架构只能更新软件。这制约了在系统部署后可实施的变更类型。开发者需要多种灵活的架构，从而将软件的适应能力拓展到硬件。通过AMD自适应计算解决方案，即便在部署完成后，工程师也能更新软件和固件。 能效：为了提高能效，开发者承担着在设计更复杂系统的同时降低功耗的重任。开发者在设计时需要考虑到架构的能效。此外，他们还需要根据具体的应用需求，灵活地在性能与成本之间取得平衡。 选择合适的可编程器件13 选择合适的合作伙伴 14 更小巧的外形尺寸：要缩小设计尺寸，就必须集成与整合系统功能。开发者的理想之选是单芯片解决方案，它能将所有必要的功能集成到同一个器件上。这不但能缩小系统尺寸，还能提高性能和能效，因为不会产生片外操作的延迟和额外功耗。此外，减少组件数量也能简化和加速系统设计。 AMD - FPGA领域的佼佼者 适用于人工智能和机器学习的FPGA16 成本优化型FPGA的应用17 总结 更多资源19 可编程逻辑的优势 概述2 电子产品设计的当前趋势与挑战 自1985年至今，FPGA技术不断发展完善，整合了广泛的功能。例如，随着门电路数的增加，FPGA可以包含一个完整的嵌入式处理器。这种处理器可针对特定应用定制，让设计师能够优化性能，进而满足实时要求。对于高度注重延迟和吞吐量的功能，可以并行复制处理元件，从而加快处理速度。由于器件仅实现必要的功能，效率和功耗也能得以优化。 长期以来，可编程逻辑都是应对上述诸多设计挑战的强大技术，它将软件可编程性的灵活性引入硬件设计，而且不影响性能或效率。 什么是FPGA？ 现场可编程逻辑门阵列(FPGA)技术有着长久的发展历程。早在1985年，赛灵思（现为AMD的一部分）就生产出了首批具有商业可行性的FPGA。这款名为XC2064的初代器件凭借可编程逻辑门电路以及这些逻辑门电路之间的可编程互连，为可编程逻辑市场的起步做出了重要贡献。 可编程逻辑的优势5 传统处理器等标准化器件的一个特点就是功能固定。这就意味着，它们自身具备的功能以及支持的功能都是固定的。此外，这些功能固定的器件通常包含具体应用不需要的功能；但即便这些功能不会投入实际使用，仍会占用芯片空间并消耗电力。 自适应计算：不仅限于可编程逻辑6 通过可编程逻辑，设计师能够以更为低廉的成本快速实现定制硬件。最初问世的这些芯片给设计带来了翻天覆地的变化，让硬件得以获享软件的灵活性。开发者可以在FPGA上测试电路设计，并将其投入到生产系统之中，以验证运行情况并解决各种问题。在设计获批后，开发者即可安心地改用定制ASIC。这种工作流程让开发者得以更快地将复杂产品推向市场。 AMD成本优化型FPGA产品组合 什么是自适应SoC？ 自适应SoC是一种围绕自适应计算架构和设计方法构建的器件。此类芯片级系统集成化程度较高，可在单个芯片中提供所需的全部功能。通过这样的系统，开发者还可以利用整体应用加速(WAA)和Dynamic Function eXchange(DFX)。 AMD SPARTAN™ULTRASCALE+™ FPGA系列11 选择合适的可编程器件13 可编程逻辑的灵活性对于许多应用都至关重要，足以促使他们在最终生产系统中采用FPGA，绕过定制ASIC。FPGA可在现场重编程，让“硬件”电路的更新与软件一样轻松。 WAA是一种设计方法，让开发者可在整个应用中优化和加速处理过程。整个系统的实现方式并不是创建一系列分别优化的子系统，再将其链接在一起，而是通过合理利用每一个组件来实现协同加速，为大幅度改进创造良机。 选择合适的合作伙伴 14 可编程逻辑允许开发者针对特定应用进行硬件定制。器件只会实现必要的功能。此外，可以在处理链中集成数据预处理器等自定义逻辑，从而大幅提升系统吞吐量。 DFX也是一种设计方法，它将当前未使用的系统资源重新分配给可使用这些资源的其他任务。类似于微控制器单元(MCU)通过运行不同软件来改变功能，DFX可以重新配置可编程逻辑的各个部分，从而改变FPGA的功能，而设计的其他部分则照旧继续运行。 AMD - FPGA领域的佼佼者 适用于人工智能和机器学习的FPGA16 成本优化型FPGA的应用17 总结 更多资源 19 自适应计算：不仅限于可编程逻辑 概述2 电子产品设计的当前趋势与挑战3 设计师可以选择基于自适应计算平台构建自己的应用，而不必承担设计ASIC的成本和延误。他们不必利用固定功能硬件（包括DSP和GPU等协处理器）来实现功能，而是可以使用可编程逻辑达成这一目标。 新一代FPGA和自适应SoC不断集成对现代嵌入式应用至关重要的新功能。最初的FPGA要求设计师使用硬件设计工具，类似于定制ASIC布局所用的工具。而通过利用现代FPGA开发工具，设计师甚至可以在不编写底层代码的情况下利用FPGA技术。 硬件性能与软件灵活性充分融合 为了实现高性能、超低延迟或低功耗，硬件加速不可或缺。例如，组装生产线上的物体检测和语音识别都需要复杂的算法。为优化性能和效率，必须对应用架构进行定制。许多设计师都通过设计自己的ASIC或SoC来优化处理过程。 可编程逻辑的优势5 自适应计算：不仅限于可编程逻辑6 开发者可以利用广泛的AMD IP目录，不需要从零开始构建系统。他们可以从多种生产就绪的IP块中进行选择，从而大幅度简化和加速FPGA设计。 AMD成本优化型FPGA产品组合 8 但如果采用ASIC方法，开发者在实现新设计时需要花费超过18个月的时间。此外，现场的传统器件均受制于其现有功能。 有了这些IP块，开发者即可快速、轻松地实现功能。所有必要的代码都是现成的，已经在实际应用中进行过测试和验证。开发者只需拖放所需的IP块即可。开发平台可轻松实现功能分区、互连结构构建和块连接，从而创建能够优化性能的定制电路。 AMD SPARTAN™ULTRASCALE+™ FPGA系列11 选择合适的可编程器件13 AMD IP目录包括70多种不同的IP产品，例如基于RISC-V指令集的MicroBlaze™、MicroBlaze™ V、以太网、1/10/25GigE Vision、PCI Express®、CAN、SPI、I2C等。 选择合适的