算力是智能世界的核心驅(qū)動力之一，這是不爭的事實。值得注意的是，如今算力的部署，其重心正加速從云端向網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)遷移，因此不依賴高帶寬資源、能夠在更靠近數(shù)據(jù)源的地方實現(xiàn)智能決策、實時響應(yīng)的邊緣計算業(yè)已成為行業(yè)的熱點，得以快速發(fā)展。

支撐邊緣計算的快速演進，必然需要相應(yīng)的算力器件作為硬件平臺。在這方面，開發(fā)者有多種技術(shù)選擇，其中FPGA作為一種硬件可編程、低延遲、高能效的異構(gòu)算力方案，日益體現(xiàn)出獨特的價值，并在越來越多的邊緣計算場景中得以“重用”。

圖1：Spartan UltraScale+ FPGA(圖源：AMD / Xilinx)

具體來講，F(xiàn)PGA在邊緣計算中的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

硬件可編程與可動態(tài)重構(gòu)的擴展性。這使得FPGA在具有硬件加速的高性能同時兼具靈活性，無需更換芯片即可重配置，快速響應(yīng)設(shè)計需求的變化。

出色的低延遲與確定性，F(xiàn)PGA可將算法直接映射為硬件電路，因此與基于軟件編程的CPU/GPU等器件相比，能夠更好地滿足實時精確控制所需。

更高的能效比，F(xiàn)PGA只為特定任務(wù)定制邏輯，無冗余的通用計算單元，與通用型的 CPU/GPU相比，能效優(yōu)勢明顯。

定制化的I/O接口配置能力：FPGA可根據(jù)應(yīng)用所需配置為不同的I/O接口，原生支持多樣化的接口協(xié)議(甚至是非標(biāo)接口)，且全鏈路硬件化，與其他接口數(shù)量和支持協(xié)議固定的器件相比，這無疑是一大優(yōu)勢。

中小批量應(yīng)用的成本優(yōu)勢，與專用的ASIC相比，F(xiàn)PGA無需高昂的研發(fā)、流片成本，更適合于中小批量、定制化的場景，這對于相對“碎片化”的邊緣計算應(yīng)用十分有利。

正是看到了FPGA對于邊緣計算的獨特價值，近年來主流FPGA廠商一直在瞄準(zhǔn)這一市場進行更深入的產(chǎn)品布局。

邊緣計算發(fā)展對FPGA提出新要求

當(dāng)然，想要“布局精準(zhǔn)”，肯定需要對邊緣計算市場的發(fā)展趨勢有更為敏銳和清晰地認知，并以此為據(jù)定義與之匹配的FPGA產(chǎn)品。

那么，今天邊緣計算的發(fā)展有哪些顯著的趨勢，對與之匹配的FPGA會提出哪些新的要求呢?歸納起來有以下五點：

1強連接：邊緣設(shè)備需要和越來越多的傳感器和外部功能組件連接，這使得可擴展的連接性成為衡量FPGA性能時一個更為關(guān)鍵的因素。

2高能效：在一些新興的邊緣計算領(lǐng)域，如可穿戴醫(yī)療設(shè)備，需要在性能和功耗之間實現(xiàn)更優(yōu)的均衡。

3小型化：更緊湊的封裝，會讓FPGA更容易集成到系統(tǒng)中，進而推動邊緣設(shè)備的小型化和輕量化設(shè)計。

4低成本：成本的優(yōu)化無疑會大大擴展FPGA的應(yīng)用版圖，使其能夠滲透到以往其他競爭算力器件的固有市場。

5高安全：對安全性的要求一直是伴隨著邊緣計算的發(fā)展同步加碼的，特別是后量子密碼算法等新技術(shù)的發(fā)展，也需要嵌入式算力器件通過技術(shù)迭代及時跟進。

不難看出，隨著邊緣計算的發(fā)展，相關(guān)市場對于FPGA產(chǎn)品的需求，正在從“性能優(yōu)先”向“追求功耗、成本、安全、連接性等多維均衡”轉(zhuǎn)變。哪個產(chǎn)品能夠看準(zhǔn)這個機遇，自然就有機會“吃”到相應(yīng)的市場紅利。

面向成本和能效敏型應(yīng)用的FPGA

AMD / Xilinx的Spartan UltraScale+ FPGA就是看準(zhǔn)這一市場切入點，應(yīng)運而生的產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品依然是基于AMD面向16nm及更先進工藝節(jié)點的UltraScale+架構(gòu)，繼承了這一平臺在性能、功耗與集成度等方面成熟的體系優(yōu)勢;與此同時，又專為成本敏感、能效優(yōu)先型的邊緣計算應(yīng)用進行了優(yōu)化，與UltraScale+系列的其他產(chǎn)品(如Artix、Kintex和Virtex等)形成互補，也為UltraScale+產(chǎn)品組合提供了至關(guān)重要的一塊拼圖。

具體來講，Spartan UltraScale+ FPGA的獨特定位，及其為邊緣計算應(yīng)用開發(fā)帶來的價值，體現(xiàn)在以下五個方面：

1高I/O密度與靈活接口

Spartan UltraScale+ FPGA支持多達572個GPIO，覆蓋1.2V至3.3V多種電平標(biāo)準(zhǔn);提供多達8個運行速度為16.3 Gb/s的GTH收發(fā)器，用于高速數(shù)據(jù)傳輸和額外帶寬;還支持PCIe Gen4及MIPI D-PHY接口，為開發(fā)者提供了極大的靈活性，以輕松應(yīng)對傳感器聚合、橋接、板級管理等I/O密集型應(yīng)用所需。

2小封裝中的高I/O與邏輯單元比

與其他系列FPGA相比，Spartan UltraScale+配置的邏輯單元規(guī)模不算大(從11K到218K)，但對應(yīng)的I/O數(shù)量卻很可觀(從304個到527個)，這使其具有更高的“I/O與邏輯單元比”。這樣的設(shè)計帶來兩個好處：一方面是有效“控制”器件的封裝面積——可小至10mm x 10mm;另一方面又讓開發(fā)者在使用盡可能減少額外組件的同時，能夠通過豐富的連接功能實現(xiàn)特定應(yīng)用，進而賦能系統(tǒng)的小型化設(shè)計。

3出色的低功耗與高能效

得益于先進的16nm FinFET工藝，Spartan UltraScale+ FPGA相比上一代28nm產(chǎn)品，總功耗預(yù)計降低高達30%。同時，通過集成硬核LPDDR4x / LPDDR5存儲器控制器和PCIe硬核IP模塊，可進一步令系統(tǒng)能效提升約60%!

4先進的安全特性

雖然是成本優(yōu)化型FPGA，Spartan UltraScale+器件仍配備有強大的安全特性，包括物理不可克隆函數(shù) (PUF)、用于身份驗證的主公鑰/次公鑰 (PPK/SPK)、用于加密的真隨機數(shù)生成器(TRNG)等，同時支持NIST認證的后量子密碼算法，幫助開發(fā)者構(gòu)建從硬件信任根到全生命周期的主動安全防御體系。

5完整的生態(tài)支持加速設(shè)計開發(fā)

AMD的Vivado Design Suite開發(fā)工具，為Spartan UltraScale+提供從綜合、布局布線到調(diào)試的全流程支持，大大降低了FPGA開發(fā)門檻，加速設(shè)計實現(xiàn)。這也有助于減少邊緣計算系統(tǒng)整體的研發(fā)成本，提高開發(fā)效率。

綜上所述，Spartan UltraScale+ FPGA針對成本敏感型的邊緣計算應(yīng)用市場，進行了全面的優(yōu)化，以高數(shù)量I/O、出色的能效表現(xiàn)以及先進的安全功能，為嵌入式視覺、醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)、機器人與視頻等應(yīng)用提供理想的解決方案。

圖2：Spartan UltraScale+ FPGA產(chǎn)品組合(圖源：AMD / Xilinx)

體驗從驗證到量產(chǎn)的極速開發(fā)

特別值得一提的是，為了幫助開發(fā)者快速體驗并部署Spartan UltraScale+ FPGA，AMD / Xilinx推出了SCU35評估套件。該套件基于Spartan UltraScale+ SU35P器件(36K邏輯單元，高達304個I/O)，提供了一個功能完整、開箱即用的開發(fā)平臺，有助于大幅縮短從概念驗證到原型設(shè)計的周期。

圖3：Spartan UltraScale+ FPGA SCU35評估套件(圖源：AMD / Xilinx)

在加速Spartan UltraScale+ FPGA開發(fā)方面，SCU35評估套件體現(xiàn)出三大特點：

01豐富的板級連接選項

豐富的I/O資源是Spartan UltraScale+ FPGA核心優(yōu)勢之一，因此SU35套件提供了豐富的板級連接選項，使得開發(fā)者能夠全面評估該FPGA的性能，而無需定制板卡。SU35套件的板級連接選項包括：

2個MikroE Click接口

1個HSIO連接器

Arduino Shield I/O擴展接口

4個Pmod和2x Raspberry Pi HAT擴展接口

MII 10/100以太網(wǎng)(RJ-45)

64 Mb HyperRAM存儲器

這些接口覆蓋了主流的傳感器、執(zhí)行器和通信模塊，讓開發(fā)者可以靈活地搭建復(fù)雜系統(tǒng)。

圖4：SCU35評估套件的板載資源(圖源：AMD / Xilinx)

02開箱即用型開發(fā)體驗

開發(fā)流程復(fù)雜、學(xué)習(xí)曲線陡峭，一直是制約FPGA更廣泛應(yīng)用的痛點。針對這一挑戰(zhàn)，SCU35 評估套件通過與AMD的Vivado等工具和相關(guān)開發(fā)生態(tài)無縫集成，讓開發(fā)人員不僅可以利用AMD所提供的工具、IP庫、示例設(shè)計和教程等資源快速啟動FPGA評估，還可以將多種第三方外設(shè)連接到SCU35套件，獲得更豐富的生態(tài)資源支持。這種“開箱即用”的體驗，即使缺乏FPGA經(jīng)驗的工程師也能快速上手，走入FPGA開發(fā)的大門。

03從原型到量產(chǎn)的全流程支持

SCU35評估套件不僅適用于前期評估，其硬件設(shè)計和引腳分配充分考慮了與量產(chǎn)板的兼容性，因此開發(fā)者完全可以在該平臺上驗證I/O配置、功耗優(yōu)化和安全策略，并將成熟的設(shè)計直接遷移到目標(biāo)量產(chǎn)器件，從而降低風(fēng)險、縮短上市時間。

也就是說，通過SCU35評估套件，開發(fā)者能夠以極低的初期投入，快速上手驗證Spartan UltraScale+ FPGA在高I/O、低功耗應(yīng)用中的表現(xiàn)，并為邊緣計算產(chǎn)品的規(guī)模化部署奠定堅實基礎(chǔ)。

本文小結(jié)

伴隨著邊緣計算的發(fā)展，F(xiàn)PGA作為一種硬件可編程、低延遲、高能效的算力平臺，扮演著日益重要的角色。

而且，F(xiàn)PGA也在跟隨著邊緣計算市場的演進快速迭代，發(fā)展出與之相適應(yīng)的新品類。比如AMD / Xilinx 的Spartan UltraScale+ FPGA系列，在成本優(yōu)化型產(chǎn)品組合中，以更高I/O與邏輯單元比特性脫穎而出，填補了高接口密度、低功耗、成本敏感型應(yīng)用的市場空白，極具市場潛力。

而與Spartan UltraScale+ FPGA配套的SCU35評估套件，更是為開發(fā)者提供了一條從原型驗證到規(guī)模商用的捷徑，讓廣大開發(fā)者能夠在邊緣計算時代輕松地玩轉(zhuǎn)FPGA，為更多的創(chuàng)新應(yīng)用賦能!