【吹吹水03】FPGA前沿技术与ACAP #FPGA #Versal ACAP #AI引擎 #NoC片上网络

吹水系列，概括一下FPGA的前沿技术，新时代应用和未来发展趋势，了解一下也好跟同事吹牛皮，其实没啥大用，闲着写写就当开拓思维了

1.FPGA前沿技术的创新方向

无论AMD与Intel两家巨头如何竞争创新，如何提出多么新颖的理念，它们的内在创新逻辑是一致的。这来源于新数字革命带来的新技术与新需求，因此在具体介绍两家最先进FPGA芯片之前，简单说明一下FPGA发展的趋势，这也便于我们理解这些创新的内在逻辑与未来可能的创新方向：

1.1 异构化

即将多种大型处理器，如CPU,NPU,FPGA,DSP,AI引擎等集成于一个片上系统的技术。这就要求FPGA集成多种处理器，具备与各式处理器高效协同工作的能力。如图所示为 ACAP芯片布局，可以看到这个系统集成了FPGA,DSP,AI引擎和其他处理器单元，FPGA通过NoC网络具备与其他处理器协同的能力。

1.2 AI加速

AI与机器学习的性能不仅依赖于软件算法模型，还依赖于执行其算法的硬件设备，通过硬件优化AI性能就是所谓的AI加速技术。FPGA在AI加速中具备得天独厚的优势，是极为理想的选择。如上图，许多高级FPGA已经集成了专用AI引擎，促进AI技术的发展与应用。

1.3 高速接口的适配

数据已然成为当今时代的核心资源，数据密集型产业(如数据中心、云计算、5G网络等)迭代需求前所未有，因此不断会有更先进的接口技术问世。FPGA需要及时跟进，集成更多更好的高速互联和接口标准。例如PCIe接口已经迭代到了PCIe6.0版本，其传输速率高至64GT/s,是一般FPGA(如-K7)支持的PCIe2.0版本速率的十几倍;再如CCIX,HBM等等接口亦需要及时跟进。如上图ACAP也集成了多类接口。

1.4 设计自动化与高层次综合(HLS)

FPGA不断创新的同时，也使得其开发难度越来越大，为了降低开发难度与开发成本，FPGA行业对开发工具也需要及时创新。

纵观FPGA发展史，就是设计自动化不断发展的历史，从最初的“手搭电路”，到利用HDL编程语言描述电路，再到复杂模块IP化，现今开发工具提出了简化设计难度的新方法——高层次综合(HLS,High-Level ).

如图，传统的FPGA设计方法以HDL语言与IP例化为核心，借助EDA工具完成 和的工作，从而完成从代码到硬件实现的工作。若想要使用C/C++语言完成硬件设计，则需要HLS工具，将其映射到HDL语言上或是直接生成电路原理图，从而进一步完成FPGA硬件的实现。现形的HLS工具已走出萌芽期，HLS技术已集成进了AMD的Vitis和Intel的 Pro中去了。

2. ACAP-FPGA异构的集大成者

ACAP( ),即“自适应计算加速平台”，是于2018年发布的一种新式芯片架构。它并非简单的FPGA，而是将硬件可编程处理器（FPGA)，软件可编程处理器和软件可编程加速引擎结合为一体的高性能计算平台。 ACAP芯片就是的代表性高性能处理器。

2.1 ACAP芯片架构

如图所示， ACAP芯片是FPGA异构化趋势的典型代表。该芯片基于7nm工艺制造，采用SSI技术（3D-FPGA技术，上一章有详细介绍），集成了FPGA,DSP,AI引擎,ARM这些可编程大型处理器，也包含了各类高速接口，存储器等资源。其特点如下：

2.2 可编程大型处理器

AI引擎：专为加速AI和机器学习任务设计的可编程设计模块。其包含高性能的矢量处理单元，能够执行深度学习推理、信号处理和数据分析等复杂计算任务，特别适用于深度神经网络的推理和训练，提供高吞吐量和低延迟的计算能力。

FPGA:这个就不多说了

DSP：专门用于高效执行数学运算和信号处理任务，如快速傅里叶变换（FFT）、滤波、卷积等，应用于通信系统、视频处理和科学计算中。

片上处理系统：包括一个或多个ARM处理器核心，用于执行软件任务、管理系统资源和控制数据流。

2.-on-Chip片上网络——各部分协同工作的桥梁

NoC负责在芯片内部不同模块之间传输数据。它通过多个并行路径实现高效的数据通信，减少了总线架构中的瓶颈问题。ACAP将数据处理与数据传输两种功能独立，让NoC专门负责数据传输，简化了设计，缓解了各部分及系统的布局布线压力。

2.4 开发方式

开发ACAP芯片涉及多个步骤和技术工具，在传统的FPGA开发方式基础上，还需要掌握新型的FPGA开发技术，其中AMD新开发工具Vitis尤为重要。

Vitis是的统一开发环境，支持从嵌入式软件到加速应用的开发。开发者可以在Vitis中设计、编译和调试各部分芯片，同时支持高层次综合（HLS）和低层次的硬件描述。

3.总结&预告

这一章我们探讨了FPGA技术的前沿创新方向及其在现代计算中的应用，特别聚焦于AMD代表性产品- ACAP芯片。我们首先讨论了FPGA的四大创新方向：异构化、AI加速、高速接口的适配、以及设计自动化与高层次综合（HLS）。这些趋势揭示了FPGA在满足新数字革命带来的需求方面的演变。接着，文章深入介绍了 ACAP芯片。通过集成多种可编程处理器和AI引擎，以及采用片上网络（NoC）技术， ACAP展现出极高的性能和灵活性。文中详细描述了 ACAP的芯片架构、各处理单元的功能，以及NoC在数据传输中的重要性。最后，简单介绍了开发ACAP芯片的方法，尤其强调了AMD的Vitis开发工具的重要性，涵盖了Vitis HLS和Vitis AI在硬件加速与AI应用开发中的作用。这些工具使得开发者能够更高效地进行ACAP芯片的设计和优化。总体而言，文章从宏观趋势到具体产品，再到开发工具，为读者全面展示了FPGA技术的前沿发展和应用场景。

下一章我们着重说一下FPGA发展趋势对未来FPGA从业者的影响和新的要求。

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