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

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近期，我有幸和AMD工業(yè)、視覺、醫(yī)療、科學(xué)市場高級總監(jiān)Chetan Khona先生進(jìn)行了一次1:1的專訪。我們討論了FPGA的獨特優(yōu)勢、AMD Kria系列和系統(tǒng)模塊（ SOM ）是否會是FPGA的下一個產(chǎn)品形態(tài)，以及當(dāng)前和未來FPGA的需求和前景等問題。Chetan Khona先生在FPGA行業(yè)已經(jīng)工作了25年，對這些問題有著深刻的理解，也有自己的見地。

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

和MCU等控制芯片相比，F(xiàn)PGA有哪些獨特優(yōu)勢？

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

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

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

所以如果將其與基于FPGA的方法進(jìn)行對比，FPGA的每個控制回路都是獨立的，而且可以并行完成。所以一個控制回路的影響不會對其他控制回路產(chǎn)生影響，你可以完全獨立地操作，這種并行性會極大提升整個系統(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。它的核心其實就是一個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—— 全部裝在這樣一個非常小的板卡中。

除了尺寸小之外，它的功耗也相對較低，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。我們還有一個叫做K26的大哥級別的產(chǎn)品，它的尺寸和一個完整的信用卡差不多，性能也會更高。K24更適用于像電機(jī)控制、DSP密集型應(yīng)用之類的場景，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SOM（系統(tǒng)模塊）的入門套件，分別是電機(jī)控制驅(qū)動器入門套件（ KD240 ）、機(jī)器人入門套件（ KR260 ）和視覺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)計平臺，開發(fā)者可以先在這些套件上進(jìn)行開發(fā)，然后無縫移植到實際的工業(yè)場景中。當(dāng)他們進(jìn)行自己的量產(chǎn)部署時，他們會創(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，是因為很難預(yù)測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。所以他們可以開發(fā)一個非常簡單的載卡，然后使用我們的可編程的 I/O 進(jìn)行連接。

系統(tǒng)模塊這個概念的最大優(yōu)點在于你可以隨意更換載卡，也就是說，這基本上將FPGA和實際應(yīng)用解耦了。它真正為生產(chǎn)和部署而設(shè)計，你不需要經(jīng)歷復(fù)雜繁瑣的板卡移植階段，因為你的應(yīng)用在評估板上已經(jīng)完美運行了，這是一種更無縫的過渡。

回到KD240驅(qū)動器入門套件，它主要用于電機(jī)控制驅(qū)動應(yīng)用。當(dāng)前，電機(jī)無處不在，從電動車到地鐵、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專注于該應(yīng)用的入門開發(fā)套件，有你需要的所有連接，可以直接插入一些無刷直流電機(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發(fā)FPGA？

就FPGA的整個生態(tài)系統(tǒng)而言，人們經(jīng)常抱怨的主要痛點是編程非常困難。許多開發(fā)者們覺得FPGA的確提供了很多價值，但他們不知道如何獲取和設(shè)計它，因為他們可能沒有在這個領(lǐng)域接受過正式培訓(xùn)。所以對于Kria，我們試圖從整體上考慮如何盡可能地讓非傳統(tǒng)用戶使用起來更容易。所以我們支持許多不同的設(shè)計流程，從Python到MATLAB再到ROS 2等等。

我們還有一個應(yīng)用商店，人們可以下載應(yīng)用并運行，然后他們可以拿這個設(shè)計并對其進(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筆記本電腦或個人電腦——只需要連接你的評估板或入門套件到互聯(lián)網(wǎng)上，它會自動下載剩下的部分。

此外，商店里也有硬件加速IP，比如圖像信號處理鏈、深度學(xué)習(xí)處理單元等都是通過硬件實現(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開發(fā)流程，所以如果你愿意，你可以控制每一個查找表、每一個寄存器、每一個 I/O 。SOM對于我們來說是一個長期的項目，所以我們會努力維護(hù)好，盡可能幫助開發(fā)者更加高效的開發(fā)。

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

總的來說，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說過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)。對于一個固定功能的芯片來說，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，因為他們必須保留所有這些不同版本的庫存。

但是，對于像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存，特別是在像工業(yè)市場這樣的碎片化市場中。

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。此外，功耗通常也會更好，因為系統(tǒng)可以以更低的頻率運行。

其實一個大的選擇原則是，如果市場上有符合您需求的固定功能芯片，那可能這種專用芯片會更適合，因為它專為該功能而設(shè)計。但在很多情況下，某種應(yīng)用要么因為沒有適合它的好芯片，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獨享的技術(shù)，而會變成一種通用IP，既可以提供一個不會變化的硬件塊，又可以在其周圍增加一點可編程性，以適應(yīng)不斷變化的需求。

收購賽靈思之后，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。對我們來說，重點是為開發(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，未來我們將深入挖掘我們的技術(shù)庫，并利用所有這些技術(shù)的優(yōu)點，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的專業(yè)方向，我認(rèn)為FPGA是一個很好的機(jī)會，也是一個進(jìn)入FPGA領(lǐng)域很好的時機(jī)。我認(rèn)為現(xiàn)在市場實際上缺乏FPGA開發(fā)人員，所以如果你是一名大學(xué)生，并且想要有一個穩(wěn)定的工作和不錯的薪水，我認(rèn)為FPGA是一個非常值得關(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等語言，那么你應(yīng)該充分利用我們提供的工具和設(shè)計流程。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，因為現(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你來說有趣和愉悅的事情。工作時間很長，日子也很長。

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

（注：本文不代表老石任職單位的觀點。）

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