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FPGA类型概览

Bob O’Donnell: Different Types of FPGAs
Posted 02/26/2020 by Bob O’Donnell

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我们曾在本系列博文的第一篇《FPGA初探》中谈到,FPGA(现场可编程门阵列)是一种灵活的半导体芯片架构,能够在产品设计完成,甚至在投入现场使用之后进行更改或更新(由此得名)。

但是并非所有的FPGA都是一样。有些FPGA专门用于高性能、数据密集的工作场景,如云端数据中心,这时它们需要的运行功率高达几百瓦。有些则用于小型、低功耗的设计,其功耗可能低至1 毫瓦(千分之一瓦)。还有些介于两者之间,在各类应用中的功耗可低至1瓦左右。尽管FPGA都有可重新编程的特性,但是由于它们本身非常灵活,可应用于各类广泛的环境。

以云端数据中心为例,微软一直都在使用高功耗的FPGA来加速必应(Bing)搜索引擎的速度。在此应用中,FPGA与CPU协同工作来加速微软针对必应开发的特定搜索算法。由此带来的好处就是不仅性能得到提升,还降低了功耗,这得益于FPGA在执行某些任务时相对于CPU或GPU更为高效。

在使用高功耗FPGA(如赛灵思和英特尔公司的)的服务器中,你通常也会发现小型、低功耗的FPGA(如莱迪思半导体的)。这些专用低功耗FPGA经过优化,专门运行设备上的一些特定功能,如系统控制、电源管理或保证系统固件安全。

还有一类FPGA更为有趣,它们尺寸稍大,但是功耗很低,能够高效地实现计算机视觉及其他各类AI推理等前沿应用。无论是在无人机、家用安防摄像头和可穿戴产品等消费电子应用中,还是在预测性维护、马达控制和机器视觉等工业应用中,这类中小尺寸的FPGA正更多地用于处理特殊任务,例如在低功耗的网络边缘计算设备上运行基于人工智能的软件算法。

很多年来,FPGA在实现蜂窝网络的通信基础设施设备中一直都扮演着至关重要但却鲜为人知的角色。随着5G网络的持续部署以及5G越来越受到关注,人们对于网络基础设施以及这类FPGA的关注将不断提升。FPGA提供的灵活性、产品快速上市、可编程性以及并行处理能力尤其适合5G网络的持续部署与演进。全世界的电信运营商争先恐后,一方面安装5G毫米波服务所需的、使用FPGA的新型基础设施设备(如小型蜂窝和Picocell),另一方面不断更新现有设施。动态频谱共享和载波聚合等复杂的新功能可以帮助运营商更新现有4G基础设施,从而通过软件更新兼容5G,这些功能只有通过FPGA的灵活特性才能得以实现。

FPGA的灵活性并不仅是因为其内部架构,它们还能很好地适用于特定的连接功能,尤其是连接各类不同的信号输入,这两种特性让FPGA拥有各种可能。例如在汽车市场,除了在车载信息娱乐系统中显身手外,FPGA开始扮演一些新角色,作为聚合多个传感器输入的工具,如摄像头、激光雷达等。这种传感器聚合的功能,有时也称为桥接,在未来车辆互连的时代实现辅助和自动驾驶功能不可或缺。此外,在电动汽车电动马达的控制和保护,FPGA也有着不错的机遇。

这些新功能大多需要尺寸更小、功耗更低、能在各类环境下运行的芯片来实现。它们可能不像那些高功耗的大型FPGA应用那么引人注目,但是它们和我们这个瞬息万变、高度互联的世界十分契合,机遇不可限量。

下一篇博文中,我们将探讨低功耗FPGA的一个重要应用:嵌入式视觉。

Bob O’Donnell是市场研究公司TECHnalysis Research的总裁兼首席分析师,该公司为技术行业和专业金融领域提供战略咨询和市场研究服务。您可以在Twitter上关注他@bobodtech

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