在過去的一個月中,，FPGA市場蓬勃發(fā)展,。在本文中，我們將簡要研究Xilinx,，Intel和LatTIce的三款最新發(fā)布的FPGA,。

　　這些FPGA中的每一個都專注于提高性能的不同方面：Xilinx VU57P試圖繞過要求苛刻的應(yīng)用程序中的存儲器帶寬挑戰(zhàn)。英特爾StraTIx 10 NX FPGA集成了AI優(yōu)化的DSP模塊,，可幫助以低延遲實現(xiàn)大型AI模型,。而且,，萊迪思Nexus FPGA試圖重新定義低功耗，小尺寸的FPGA,。

　　Xilinx VU57P FPGA —高帶寬存儲器

　　在過去的十年中,，許多應(yīng)用領(lǐng)域的計算帶寬呈指數(shù)增長。例如,，賽靈思FPGA為機器學(xué)習(xí)應(yīng)用提供的DSP切片的數(shù)量已從最大的Virtex 6 FPGA的約2,000個切片增加到現(xiàn)代Virtex UltraScale +器件的約12,000個切片,。如下所示，在其他應(yīng)用領(lǐng)域（如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻應(yīng)用）中也觀察到了類似的趨勢,。

　　對內(nèi)存帶寬的要求

　　上圖顯示,，在過去十年中，DDR技術(shù)的內(nèi)存帶寬僅略有增加-從DDR3到DDR4大約增加了2倍,。（值得注意的是,，從DDR4到DDR5的飛躍可能更具影響力。）

　　圖中的帶寬差距意味著FPGA和存儲器之間有限的數(shù)據(jù)傳輸速率是這些應(yīng)用中的瓶頸,。為了解決這個問題，設(shè)計人員通常會并行使用多個DDR芯片來增加內(nèi)存帶寬（不一定是內(nèi)存容量）,。但是,，由于功耗高，外形尺寸和成本問題以及PCB設(shè)計挑戰(zhàn),，這種方法在內(nèi)存帶寬大于約85GB/s時變得無法使用,。

　　另外，內(nèi)存帶寬問題的有效解決方案是一種基于DRAM的內(nèi)存類型,，稱為高帶寬內(nèi)存（簡稱HBM）,。在這種情況下，可以利用硅堆疊技術(shù)在同一封裝中同時實現(xiàn)DRAM存儲器和FPGA,，如下圖所示,。

　　硅堆疊有助于并行實現(xiàn)DRAM存儲器和FPGA

　　HBM技術(shù)使我們能夠消除將DDR芯片連接到FPGA的相對較長的PCB走線。使用帶有大量引腳的集成HBM接口可以顯著提高存儲帶寬,，其延遲類似于基于DDR的技術(shù),。

　　Xilinx 最近發(fā)布了VU57P FPGA（來自Virtex UltraScale +系列），該FPGA集成了16 G HBM和高達460GB/s的存儲器帶寬,。該設(shè)備采用了集成的AXI端口交換機,，使我們能夠從任何內(nèi)存端口訪問任何HBM內(nèi)存位置。

　　除了上面討論的節(jié)能計算功能和大內(nèi)存帶寬外,，VU57P還提供了高速接口,，例如帶有RS-FEC的100G以太網(wǎng)，150G Interlaken和PCIe Gen4,。新設(shè)備的58G PAM4收發(fā)器支持與最新光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的連接,。這在不同的應(yīng)用程序中很有用,，例如下一代防火墻以及具有QoS的交換機和路由器。

　　英特爾StraTIx 10 NX FPGA — AI優(yōu)化的DSP模塊

　　數(shù)字信號處理（DSP）的許多常規(guī)應(yīng)用都需要高精度算術(shù),。這就是FPGA通常具有帶高精度乘法器和加法器的DSP模塊的原因,。例如，XC7A50T（Xilinx）和5CGXC4（Intel）分別具有120和140個18×18的乘法器,。

　　事實證明,，可以使用較少的位數(shù)來實現(xiàn)許多深度學(xué)習(xí)應(yīng)用，而不會顯著犧牲準(zhǔn)確性,。較低精度的近似值會減少計算資源的數(shù)量以及所需的內(nèi)存帶寬,。

　　降低位寬的另一個優(yōu)點是，由于精度較低的計算和每個內(nèi)存事務(wù)需要傳輸?shù)奈粩?shù)較少,，因此可以節(jié)省功耗,。實際上，根據(jù)UC Davis研究人員的說法,，在許多深度學(xué)習(xí)應(yīng)用中,，INT8甚至更低的精度計算都可以得出可接受的結(jié)果。

　　在英特爾的StraTIx 10 NX的FPGA是從英特爾首款A(yù)I優(yōu)化的FPGA,。這些器件集成了稱為AI Tensor Blocks的算術(shù)塊,，其中包含密集的低精度乘法器陣列。這些塊的基本精度是INT8和INT4,，盡管它們通過共享指數(shù)支持硬件支持FP16和FP12數(shù)值格式,。

　　與標(biāo)準(zhǔn)Intel Stratix 10 FPGA的DSP模塊相比，AI Tensor模塊（在Stratix 10 NX FPGA中使用）可以將INT8吞吐量提高15倍,。AI Tensor Block的高層框圖如下所示,。

　　AI Tensor Block的框圖

　　英特爾Stratix 10 NX FPGA最顯著的特點是由AI優(yōu)化的計算塊提供的高計算密度。然而,，新器件還集成了另外兩個功能,，進一步幫助設(shè)計人員以低延遲的方式實現(xiàn)它的大型AI模型：它支持豐富的近似計算內(nèi)存（集成HBM）和高帶寬網(wǎng)絡(luò)（高達57.8 G的PAM4收發(fā)器）。

　　Lattice Nexus — 低功耗,，小尺寸FPGA

　　萊迪思半導(dǎo)體最近發(fā)布了其 Certus-NX FPGA系列,，該系列使用28nm的全耗盡型絕緣體上硅（FD-SOI）工藝技術(shù)。FD-SOI最初由三星公司開發(fā),，與傳統(tǒng)的CMOS工藝有點相似,。但是，如下圖所示,，它可為大部分晶體管提供可編程偏置,。

　　萊迪思半導(dǎo)體公司最近發(fā)布了其Certus-NX FPGA系列，該系列采用了28納米完全耗盡絕緣體上硅（FD-SOI）工藝技術(shù),。FD-SOI最初是由三星開發(fā)的,，有點類似于傳統(tǒng)的CMOS工藝,；然而，它可以為大部分晶體管提供可編程的偏置,，概念性說明如下,。

　　Lattice Nexus平臺的電路架構(gòu)

　　可編程的buck電壓使芯片面積和功耗大大降低。與具有類似邏輯單元數(shù)量的其他FPGA相比,，Certus-NX的功耗最多降低了四倍,。

　　由于采用了FD-SOI技術(shù)，因此新器件的尺寸可小至6mm x 6mm,，與類似的FPGA相比,，每mm2的 I/O多達兩倍。下表將Certus-NX-40與Intel和Xilinx的類似產(chǎn)品進行了比較,。

　　三種用于PCIe設(shè)計的流行FPGA的比較

　　需要注意的是,，新設(shè)備支持用于批量加密的AES和用于身份驗證的橢圓曲線（ECDSA）。因此,，它可以為聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供更高的安全性,。此外，它還具有較高的抗軟誤差能力,，這使得該裝置適合于航空航天應(yīng)用,。

　　FPGA發(fā)展趨勢

　　通過研究Xilinx，Intel和Lattice Semiconductors的這些最新發(fā)布的FPGA,，我們可以更清楚地了解FPGA的發(fā)展方式-集中于更高的存儲器帶寬、AI優(yōu)化,、低功耗和小尺寸,。

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