系統(tǒng)模塊SOM能否成為FPGA的未來(lái)形態(tài)？專訪AMD高級(jí)總監(jiān)Chetan Khona

如果文章對(duì)你有用，請(qǐng)?jiān)谖哪c(diǎn)擊“在看”，“分享”和“贊”

近期，我有幸和AMD工業(yè)、視覺(jué)、醫(yī)療、科學(xué)市場(chǎng)高級(jí)總監(jiān)Chetan Khona先生進(jìn)行了一次1:1的專訪。我們討論了FPGA的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、AMD Kria系列和系統(tǒng)模塊（ SOM ）是否會(huì)是FPGA的下一個(gè)產(chǎn)品形態(tài)，以及當(dāng)前和未來(lái)FPGA的需求和前景等問(wèn)題。Chetan Khona先生在FPGA行業(yè)已經(jīng)工作了25年，對(duì)這些問(wèn)題有著深刻的理解，也有自己的見(jiàn)地。

我把這次訪談的內(nèi)容整理了出來(lái)，以饗讀者。內(nèi)容比較長(zhǎng)，但肯定會(huì)對(duì)你有所幫助。

和MCU等控制芯片相比，F(xiàn)PGA有哪些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)？

我認(rèn)為FPGA的主要優(yōu)勢(shì)有很多，但我認(rèn)為排名前三的優(yōu)勢(shì)分別是：靈活的輸入/輸出，確定性，低時(shí)延。

比如說(shuō)對(duì)于機(jī)器人技術(shù)，現(xiàn)在有很多工廠完全由機(jī)器人來(lái)操作，而且一個(gè)機(jī)器人必須與另一個(gè)機(jī)器人一起工作。當(dāng)多個(gè)機(jī)器人在流水線上相互協(xié)作時(shí)，低時(shí)延和確定性就非常重要，從而確保整個(gè)工作流程穩(wěn)定高效的向前推進(jìn)。如果每個(gè)機(jī)器人的工作方式不固定、響應(yīng)時(shí)間很隨機(jī)，那整個(gè)產(chǎn)線就要出大問(wèn)題。

MCU也經(jīng)常用于電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而且我認(rèn)為對(duì)于單軸或雙軸電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們工作得非常好。但是現(xiàn)在的情況是，越來(lái)越多的MCU需要控制四軸、六軸、八軸。隨著控制軸數(shù)的增加，性能、時(shí)延和確定性都會(huì)被稀釋。隨著你添加更多的控制回路，你就會(huì)削弱該處理器的性能。

所以如果將其與基于FPGA的方法進(jìn)行對(duì)比，FPGA的每個(gè)控制回路都是獨(dú)立的，而且可以并行完成。所以一個(gè)控制回路的影響不會(huì)對(duì)其他控制回路產(chǎn)生影響，你可以完全獨(dú)立地操作，這種并行性會(huì)極大提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。

什么是Kria，它和傳統(tǒng)FPGA有什么區(qū)別？

AMD剛剛推出了Kria KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件和Kria K24 SOM。K24 SOM 大約只有信用卡的一半大小，但性能非常強(qiáng)大。它的核心其實(shí)就是一個(gè)FPGA SoC，配備了四核心ARM處理器，此外還有必要的外設(shè)，內(nèi)存包括DRAM和閃存，也集成了很多安全功能—— 全部裝在這樣一個(gè)非常小的板卡中。

除了尺寸小之外，它的功耗也相對(duì)較低，只需要2.5瓦到5瓦。因此，它非常適合許多不同的工業(yè)應(yīng)用。同樣重要的是，它不是我們產(chǎn)品組合中唯一的SOM。我們還有一個(gè)叫做K26的大哥級(jí)別的產(chǎn)品，它的尺寸和一個(gè)完整的信用卡差不多，性能也會(huì)更高。K24更適用于像電機(jī)控制、DSP密集型應(yīng)用之類的場(chǎng)景，而K26更強(qiáng)大一些，可以進(jìn)行人工智能等其他方面的應(yīng)用。

系統(tǒng)模塊SOM的好處有哪些？

我們有三個(gè)SOM（系統(tǒng)模塊）的入門套件，分別是電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器入門套件（ KD240 ）、機(jī)器人入門套件（ KR260 ）和視覺(jué)AI入門套件（ KV260 ）。這些入門套件的核心板卡大致和我的手掌大小相當(dāng)。

這些入門套件主要的定位是原型設(shè)計(jì)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者可以先在這些套件上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，然后無(wú)縫移植到實(shí)際的工業(yè)場(chǎng)景中。當(dāng)他們進(jìn)行自己的量產(chǎn)部署時(shí)，他們會(huì)創(chuàng)建自己的定制載卡。然后把Kria主板插入他們自己的定制載卡中，這樣就可以直接構(gòu)建、部署和投入量產(chǎn)了。

我們之所以使用SOM的方式，是因?yàn)楹茈y預(yù)測(cè)所有不同客戶的各種需求。有人可能需要以太網(wǎng)，有人需要USB，有人需要相機(jī)接口，等等。所以他們可以開(kāi)發(fā)一個(gè)非常簡(jiǎn)單的載卡，然后使用我們的可編程的 I/O 進(jìn)行連接。

系統(tǒng)模塊這個(gè)概念的最大優(yōu)點(diǎn)在于你可以隨意更換載卡，也就是說(shuō)，這基本上將FPGA和實(shí)際應(yīng)用解耦了。它真正為生產(chǎn)和部署而設(shè)計(jì)，你不需要經(jīng)歷復(fù)雜繁瑣的板卡移植階段，因?yàn)槟愕膽?yīng)用在評(píng)估板上已經(jīng)完美運(yùn)行了，這是一種更無(wú)縫的過(guò)渡。

回到KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件，它主要用于電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。當(dāng)前，電機(jī)無(wú)處不在，從電動(dòng)車到地鐵、電梯或扶梯，包括火車本身，都有電機(jī)。在建筑的供暖和空調(diào)中也有電機(jī)。

既然電機(jī)有這么多應(yīng)用，我們想做的是提供一個(gè)專注于該應(yīng)用的入門開(kāi)發(fā)套件，有你需要的所有連接，可以直接插入一些無(wú)刷直流電機(jī)，從而讓人們能夠非常容易地原型化他們的電機(jī)控制算法。

Kria如何幫助軟件工程師開(kāi)發(fā)FPGA？

就FPGA的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)而言，人們經(jīng)常抱怨的主要痛點(diǎn)是編程非常困難。許多開(kāi)發(fā)者們覺(jué)得FPGA的確提供了很多價(jià)值，但他們不知道如何獲取和設(shè)計(jì)它，因?yàn)樗麄兛赡軟](méi)有在這個(gè)領(lǐng)域接受過(guò)正式培訓(xùn)。所以對(duì)于Kria，我們?cè)噲D從整體上考慮如何盡可能地讓非傳統(tǒng)用戶使用起來(lái)更容易。所以我們支持許多不同的設(shè)計(jì)流程，從Python到MATLAB再到ROS 2等等。

我們還有一個(gè)應(yīng)用商店，人們可以下載應(yīng)用并運(yùn)行，然后他們可以拿這個(gè)設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行修改以適應(yīng)他們的需求。商店里的應(yīng)用既有軟件、也有硬件，還有一些應(yīng)用可能是兩者的混合體，但所有的應(yīng)用都是容器化的，它們支持并在Ubuntu Linux上運(yùn)行，你可以去應(yīng)用商店直接從目標(biāo)硬件上下載，所以你甚至不需要一臺(tái)筆記本電腦或個(gè)人電腦——只需要連接你的評(píng)估板或入門套件到互聯(lián)網(wǎng)上，它會(huì)自動(dòng)下載剩下的部分。

此外，商店里也有硬件加速IP，比如圖像信號(hào)處理鏈、深度學(xué)習(xí)處理單元等都是通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的，然后你也可以為應(yīng)用編寫軟件。

我們也支持非常傳統(tǒng)的FPGA開(kāi)發(fā)流程，所以如果你愿意，你可以控制每一個(gè)查找表、每一個(gè)寄存器、每一個(gè) I/O 。SOM對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)長(zhǎng)期的項(xiàng)目，所以我們會(huì)努力維護(hù)好，盡可能幫助開(kāi)發(fā)者更加高效的開(kāi)發(fā)。

FPGA在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域還有哪些優(yōu)勢(shì)？

總的來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA在許多不同的應(yīng)用中都有使用，比如在工業(yè)通信中。我舉一個(gè)例子，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中有很多不同的標(biāo)準(zhǔn)，或許你或你的讀者聽(tīng)說(shuō)過(guò)EtherCAT或PROFINET等工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)——目前世界大約有40到50種不同標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于一個(gè)固定功能的芯片來(lái)說(shuō)，要支持所有這40到50種標(biāo)準(zhǔn)是非常困難的。這幾乎成為了供應(yīng)鏈的噩夢(mèng)，因?yàn)樗麄儽仨毐Ａ羲羞@些不同版本的庫(kù)存。

但是，對(duì)于像FPGA這樣的可編程設(shè)備，或者我們的自適應(yīng)SoC，就可以根據(jù)客戶的要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程，以支持任何網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。因此，它不僅解決了技術(shù)上的挑戰(zhàn)，還解決了業(yè)務(wù)上的挑戰(zhàn)，不需要保留所有這些不同版本的庫(kù)存，特別是在像工業(yè)市場(chǎng)這樣的碎片化市場(chǎng)中。

除了靈活性，基于 FPGA 的解決方案通常性能也更好。你可以將一些處理器的工作轉(zhuǎn)移到硬件中，從而獲得并行處理的優(yōu)勢(shì)。此外，功耗通常也會(huì)更好，因?yàn)橄到y(tǒng)可以以更低的頻率運(yùn)行。

其實(shí)一個(gè)大的選擇原則是，如果市場(chǎng)上有符合您需求的固定功能芯片，那可能這種專用芯片會(huì)更適合，因?yàn)樗鼘樵摴δ芏O(shè)計(jì)。但在很多情況下，某種應(yīng)用要么因?yàn)闆](méi)有適合它的好芯片，要么就像我們剛剛討論的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)一樣，需要靈活性。而這才能發(fā)揮出FPGA真正的價(jià)值。

AI如何改變FPGA？

目前AMD所有最新的7納米器件都可以支持AI引擎。作為AMD的一部分，我們已經(jīng)宣布將在一些x86處理器（如Ryzen）中加入人工智能引擎。所以，人工智能引擎不再僅僅是FPGA獨(dú)享的技術(shù)，而會(huì)變成一種通用IP，既可以提供一個(gè)不會(huì)變化的硬件塊，又可以在其周圍增加一點(diǎn)可編程性，以適應(yīng)不斷變化的需求。

收購(gòu)賽靈思之后，AMD 已經(jīng)成為一家擁有廣泛的 CPU、GPU、FPGA和自適應(yīng)SoC產(chǎn)品組合的公司。我們提供了這些不同的技術(shù)供大家選擇。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)是為開(kāi)發(fā)人員提供多種異構(gòu)方案，以便他們可以選擇適合其任務(wù)的合適的引擎。因此，未來(lái)我們將深入挖掘我們的技術(shù)庫(kù)，并利用所有這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提供定制化的解決方案。

FPGA如何入門與進(jìn)階？

如果你是一名大學(xué)生，并且正在決定你未來(lái)的專業(yè)方向，我認(rèn)為FPGA是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，也是一個(gè)進(jìn)入FPGA領(lǐng)域很好的時(shí)機(jī)。我認(rèn)為現(xiàn)在市場(chǎng)實(shí)際上缺乏FPGA開(kāi)發(fā)人員，所以如果你是一名大學(xué)生，并且想要有一個(gè)穩(wěn)定的工作和不錯(cuò)的薪水，我認(rèn)為FPGA是一個(gè)非常值得關(guān)注的領(lǐng)域。

如果你已經(jīng)在行業(yè)中工作，并且已經(jīng)在使用Python或ROS 2等語(yǔ)言，那么你應(yīng)該充分利用我們提供的工具和設(shè)計(jì)流程。所以，我的建議是利用好離你最近的東西，一切都有可能。在傳統(tǒng)的FPGA道路上有很好的職業(yè)和機(jī)會(huì)，因?yàn)楝F(xiàn)在大學(xué)的FPGA專業(yè)畢業(yè)生非常少。

為了找到自己的熱情，我建議大家多嘗試不同的事情。跟隨自己的熱情很重要，你應(yīng)該始終嘗試做一些對(duì)你來(lái)說(shuō)有趣和愉悅的事情。工作時(shí)間很長(zhǎng)，日子也很長(zhǎng)。

在技術(shù)領(lǐng)域，機(jī)會(huì)是不會(huì)缺少的，任何人都會(huì)找到屬于自己的機(jī)會(huì)。

（注：本文不代表老石任職單位的觀點(diǎn)。）

點(diǎn)擊下方視頻，看我和Chetan Khona的訪談完整版，別忘了關(guān)注+點(diǎn)贊！