FPGA 基礎知識 – 第 4 篇：Xilinx 的 FPGA 入門

編者說明：最佳的處理解決方案通常由 RISC、CISC、圖形處理器與 FPGA 等組合方案提供；也可由 FPGA 本身或以處理器硬核為部分結構的 FPGA 提供。然而，有許多設計人員對 FPGA 的功能、發展歷程、使用方式不太熟悉。本系列文章包含多個部分，第 1 篇詳細介紹了 FPGA；第 2 篇聚焦於 Lattice Semiconductor 提供的 FPGA 產品；第 3 篇著重介紹了 Microchip Technology (出自子公司 Microsemi Corporation) 的 FPGA 元件系列及設計工具。本文是第 4 篇，探討了 Xilinx 的元件與工具。第 5 篇則會討論 Altera 的產品。

正如第 1 篇所討論，現場可編程閘極陣列 (FPGA) 具有許多特性，因此無論是獨立使用，還是在異質架構中使用，都是寶貴的運算資產；然而許多設計人員不熟悉 FPGA，也不知道如何將這些元件整合到自己的設計中。

為了克服這個障礙，我們需要深入探討主流廠商的 FPGA 架構以及相關工具；本文將從 Xilinx 的產品系列展開討論。

高階 FPGA 選項概覽

市面上有許多不同類型的 FPGA，每一種都具有不同的能力與功能組合。無論是何種 FPGA，其核心都是可編程結構。此結構以可編程邏輯區塊陣列呈現，又稱為邏輯元件 (LE) (圖 1a)。FPGA 結構進一步擴展後可包括 SRAM 區塊 (稱為區塊 RAM (BRAM))、鎖相迴路 (PLL) 及時脈管理器等元件 (圖 1b)。此外，也可加入數位訊號處理 (DSP) 區塊 (稱為 DSP 分割) 和高速串列器／解串列器 (SERDES) 區塊 (圖 1c)。

圖 1：最簡單的 FPGA 僅包含可編程結構和可配置一般用途 IO (GPIO) (a)；但不同的架構會使用一些元件來擴大這一基礎結構，如 SRAM 區塊、PLL 和時脈管理器 (b)；DSP 區塊和 SERDES 介面 (c)；以及處理器硬核和周邊裝置 (d)。(圖片來源：Max Maxfield)

CAN、I²C、SPI、UART 和 USB 等周邊裝置介面功能，可以實作為可編程結構中的軟核心，但許多 FPGA 都將其作為硬核心包含在矽中。同樣，微處理器也可實作為可編程結構中的軟核心，或是矽中的硬核心 (圖 1d)。具備硬處理器核心的 FPGA，稱為系統單晶片 (SoC) FPGA。不同的 FPGA 會提供不同的功能、特點、能力及容量組合，可適用於不同的市場與應用。

FPGA 廠商為數不少，其中包括 Altera (已被 Intel 收購)、Atmel (已被 Microchip Technology 收購)、Efinix、Lattice Semiconductor、Microsemi (也已被 Microchip Technology 收購) 以及 Xilinx。

這些廠商全都提供多種系列的 FPGA；有些提供 SoC FPGA，有些提供鎖定人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML) 應用的元件，有些則提供可耐受輻射且針對太空等高輻射環境設計的元件。由於可選的系列實在太多，每個都提供不同的資源，因此針對手邊的任務挑選最佳元件並不容易。

Xilinx 的 FPGA、SoC、MPSoC、RFSoC 和 ACAP 產品介紹

Xilinx 提供許多款可編程元件產品，從最普通到極高的效能與功能都有。範圍包括傳統的 FPGA、SoC (具備單一硬核心處理器的 FPGA 可編程結構)、MPSoC (具備多重硬核心處理器的 FPGA 可編程結構)、RFSoC (具備 RF 能力的 MPSoC)，再到 ACAP (適應性運算加速平台) (圖 2)。

圖 2：Xilinx 架構產品組合隨著時間不斷演變，原本只是內含可編程結構的簡易 FPGA，後來變成可編程結構經過擴展的 SoC 元件 (增加硬核心處理器)、具有多個處理器的 MPSoC、具備 RF 能力的 RFSoC，再到鎖定於 AI 等應用的最新一代 ACAP。(圖片來源：Max Maxfield)

Xilinx 產品組合非常廣泛，可用於非常多的市場區隔，並提供各種各樣的部署方法，因此對不熟悉 FPGA 的人來說，可能很難瞭解全貌。

Xilinx 應對的市場包括但不限於資料中心 (運算、網路、儲存)；通訊 (有線、無線)；航太與國防；工業、科學與醫療 (ISM)；測試、測量與模擬 (TME)；以及汽車、廣播和消費性市場。

在部署方法方面，當中包含 Xilinx 所謂的硬體可調適元件，包括晶片、評估板和開發套件；可部署終端系統，包括系統模組和 PCIe 加速卡；以及 FPGA 即服務 (FAAS)，包括藉由一流雲端提供業者來評估與善用 Xilinx 技術，這些業者包括 Amazon Web Services (AWS)、Alibaba.com 和 Nimbix.net。

Xilinx 的 FPGA 產品分類方法之一，是依照製程技術節點來分類 (圖 3)。

圖 3：Xilinx 的 FPGA 產品提供完整的多節點產品組合，可滿足許多應用的要求。(圖片來源：Max Maxfield)

根據目標應用而定，設計人員可能會選擇在較前期的技術節點，實作低成本、小型覆蓋區的 FPGA，或是針對先進的網路應用等，選擇在最新的技術節點，實作高容量、高頻寬、高效能的元件。

對於需要一或多個硬處理器核心 (和其他硬化功能，如 GPU、編解碼器，以及軟決策前向錯誤修正 (SD-FEC) 核心) 的設計，Xilinx 則提供一個稱為 Zynq 的元件系列。圖 4 顯示 Zynq 的 SoC、MPSoC 和 RFSoC 產品摘要。這套解決方案為設計人員提供多種能力，協助針對功率、效能、成本及上市時間進行最佳化。

圖 4：Xilinx 的 SoC、MPSoC 及 RFSoC 產品整合了處理器的軟體可編程性，以及 FPGA 的硬體可編程性，從而為設計人員提供高系統效能、彈性與可擴充性。(圖片來源：Max Maxfield)

Xilinx 的最新產品是 Versal 適應性運算加速平台 (ACAP) 元件，全部實作於 7 nm 製程技術節點。ACAP 是高度整合的多核心運算平台，可適應不斷演進的各種演算法。這些平台能在硬體和軟體層級進行動態客製化，以符合廣泛的應用與工作負載。ACAP 是根據可編程網路晶片 (NoC) 進行建構，硬體設計人員與軟體開發人員皆能輕鬆對其進行編程。

Versal 元件的新特點包括：智慧引擎，即用於 ML 和 DSP 工作負載的大規模向量處理器陣列；高頻寬、低延遲、低功耗的可編程 NoC，可移動 TB 規模資料；以及整合式外殼，可利用預先打造的核心基礎架構和系統連接性，來提升效能、利用率與生產力。

圖 5 顯示了 Versal ACAP 產品組合概覽。

圖 5：Xilinx 的 Versal ACAP 是高度整合的多核心運算平台，可適應不斷演進的各種演算法。ACAP 能在硬體和軟體層級進行動態客製化，以符合廣泛的應用與工作負載。(圖片來源：Max Maxfield)

如同之後設計工具部分所探討，有關 Versal 元件的一個關鍵差異點是採用新的軟體堆疊。此堆疊的目標使用者是資料科學家與軟體工程師，以及傳統硬體設計工程師。

Xilinx 元件目前選擇非常多，代表性元件包括 Artix-7 FPGA、Kintex UltraScale FPGA、Kintex UltraScale+ FPGA、Trenz Electronic GmbH 的 Zynq-7000 SoC 模組，以及 Zynq UltraScale+ MPSoC。

評估板及開發板的選擇同樣也很多，代表性產品包括 Digilent 的 Artix-7 FPGA 評估板、Analog Devices 的 Kintex UltraScale FPGA 評估板、Xilinx 的 Kintex UltraScale+ FPGA 評估板、Digilent 的 Zynq-7000 SoC FPGA 評估板，以及 Xilinx 的 Zynq UltraScale+ MPSoC FPGA 評估板。

利用 Xilinx FPGA、SoC 和 ACAP 進行設計與開發

與競爭對手相比，Xilinx 獨特之處在於設計工具與流程的廣度和深度。

此 FPGA 系列文章的第 1 篇提過，以往這些元件的設計方式是，讓工程師使用 Verilog 或 VHDL 等硬體描述語言 (HDL)，在名為暫存器轉移層級 (RTL) 的抽象層級擷取設計意圖。這些 RTL 描述可能會先進行模擬，以驗證其是否按預期執行，然後會傳遞至合成工具，由其產生用來編程 FPGA 的配置檔。

抽象的下一步是擷取設計意圖，主要是利用 C/C++ 等編程語言，或透過 SystemC 等特別實作方式；後者是一組 C++ 類別與巨集，可提供事件驅動式模擬介面。這些能促進同步程序的模擬，每個程序皆透過清楚的 C++ 語法進行描述。這種描述可當作一般的程式來執行，藉此進行分析和剖析，之後會傳遞至高階合成 (HLS) 引擎，由此引擎輸出 RTL，RTL 則饋送至一般的合成引擎。

這些功能全部包含在 HLx 版 Vivado 設計套件中，此工具的輸出是配置位元流，隨後將載入到目標 FPGA、SoC、MPSoC、RFSoC 或 ACAP 元件中。除了可讓硬體開發人員徹底善用 C 語言型設計，以及經過最佳化的設計重用性，Vivado 還提供 IP 子系統重用性和整合自動化，並能加速設計收斂 (圖 6)。

圖 6：Xilinx 的 Vivado 與 Vitis 設計工具堆疊的深度檢視圖，反映出使用者能如何在最適當的抽象層級使用這些工具。硬體設計人員使用 Vivado，軟體開發人員使用 Vitis，而 AI 和資料科學家使用 Vitis AI。(圖片來源：Max Maxfield)

下個抽象層級獲得 Vitis 統一軟體平台的支援，此平台使軟體開發人員能完美打造出加速型應用。從概念上說，Vitis 頂端上是 Vitis AI，此平台讓 AI 和資料科學家能在 TensorFlow 抽象層級作業。Vitis AI 是在 Xilinx 硬體平台上進行 AI 推論的開發平台，同時包括邊緣設備和 Alveo PCIe 卡。Vitis AI 包含經過最佳化的 IP、工具、資料庫、模型與範例設計，目的是徹底利用 Xilinx 的 FPGA 和 ACAP 元件之 AI 加速潛力。

Vitis AI 會饋送到 Vitis，Vitis 本身會饋送到 Vivado。圖 6 的關鍵重點是，使用者只會「看到」他們需要「看到」的部分。也就是說，硬體開發人員只會「看到」Vivado，軟體開發人員只會「看到」Vitis，而 AI 和資料科學家只會「看到」Vitis AI。如此一來，使用者就能在最適當的抽象層級使用這些工具。

若為軟體開發人員提供 Vitis 等工具套件，將他們與底層的硬體隔離開來，那麼便能讓更多的開發人員取得 FPGA。同樣地，若為 AI 和資料科學家提供 Vitis AI 等工具套件，讓他們關注於自己的抽象層級並與底層軟體隔離開來，也能讓一群新的開發人員取得 FPGA。

在提供這些能力層面，Xilinx 扮演著整個產業的先鋒推手，將 FPGA 工具提升到更高的設計抽象層級，進而讓開發人員能更輕易地運用這些元件的能力，並整合到接下來的設計中。

結論

最佳的處理設計解決方案通常由處理器與 FPGA 的組合提供；也可由 FPGA 本身或以處理器硬核心為部分結構的 FPGA 提供。FPGA 技術近年來迅速發展，能在靈活性、處理速度和功率方面滿足設計的許多要求，因而可用於許多應用，包括智慧型介面、機械視覺及人工智慧等。

如本文所述，Xilinx 提供多款可編程元件，從最普通到極高的效能與功能都有。這些產品的範圍包括傳統的 FPGA、SoC (具備單一硬核心處理器的 FPGA 可編程結構)、MPSoC (具備多重硬核心處理器的 FPGA 可編程結構)、RFSoC (具備 RF 能力的 MPSoC)，再到 ACAP (適應性運算加速平台)。

為了協助設計人員使用這些元件來創造設計，Xilinx 提供了一套相應的工具，來解決硬體開發人員 (Vivado)、軟體開發人員 (Vitis) 及 AI 和資料科學家 (Vitis AI) 的需求。