De la invenție la accelerarea Inteligenței Artificiale: Sărbătorim 40 de ani de inovație FPGA

Anul acesta marchează aniversarea a 40 de ani de la apariția primului circuit FPGA (Field-Programmable Gate Array) disponibil comercial, introducând ideea de hardware reprogramabil. Prin crearea unui „hardware la fel de flexibil ca software-ul”, logica reprogramabilă FPGA a schimbat radical designul semiconductorilor. Pentru prima dată, dezvoltatorii puteau proiecta un cip, iar dacă specificațiile sau cerințele se schimbau pe parcurs, chiar și după fabricație, puteau redefini funcționalitatea acestuia pentru a îndeplini o altă sarcină. Această flexibilitate a permis dezvoltarea rapidă a noilor cipuri, reducând timpul de lansare pe piață și oferind o alternativă la ASIC-uri (Application-Specific Integrated Circuit sau Circuit Integrat Specific Aplicației).

Impactul asupra pieței a fost fenomenal. FPGA-urile au lansat o industrie de peste 10 miliarde de dolari, iar în ultimele patru decenii am livrat peste 3 miliarde de FPGA-uri și SoC-uri adaptive (dispozitive care combină structura FPGA cu un sistem pe cip și alte motoare de procesare) către peste 7.000 de clienți din diverse segmente de piață. De fapt, am fost lideri de piață în logica programabilă în ultimii 25 de ani consecutivi și credem că suntem bine poziționați pentru a ne menține această poziție datorită portofoliului nostru solid de produse și planului de dezvoltare.

Accelerarea inovației

FPGA-ul a fost inventat de regretatul Ross Freeman, cofondator al Xilinx, Inc. (acum parte a AMD), un inginer și inovator care a considerat că trebuie să existe o metodă mai bună și mai eficientă din punct de vedere al costurilor pentru proiectarea cipurilor, dincolo de dispozitivele ASIC cu funcții fixe. FPGA-urile le-au oferit inginerilor libertatea și flexibilitatea de a modifica designul cipurilor în timp real, cu posibilitatea de a dezvolta și proiecta un cip personalizat într-o singură zi. De asemenea, FPGA-urile au contribuit la apariția modelului de afaceri „fabless”, care a transformat întreaga industrie a semiconductorilor. Prin eliminarea necesității de a crea măști personalizate și a costurilor unice de inginerie asociate, FPGA-urile au accelerat inovația hardware demonstrând că firmele nu trebuie să dețină o fabrică pentru a crea tehnologii revoluționare – au nevoie doar de viziune, abilități de proiectare și un FPGA.

În cei 40 de ani de la lansarea primului FPGA comercial din lume (XC2064), aceste cipuri au devenit omniprezente în peisajul electronic și profund integrate în viața de zi cu zi. Astăzi, dispozitivele de calcul adaptiv, inclusiv FPGA-urile, SoC-urile adaptive (System on a Chip) și modulele de tip System-on-Module (SOM), se regăsesc în tot: de la automobile, vagoane de tren și semafoare, până la roboți, drone, nave spațiale și sateliți, rețele wireless, echipamente medicale și de testare, fabrici inteligente, centre de date și chiar sisteme de tranzacționare de frecvență înaltă.

Inovații cheie și reușite în evoluția produselor

Inovațiile AMD și nevoile care sunt în continuă schimbare ale pieței au condus, în ultimii 40 de ani, la numeroase progrese remarcabile în tehnologia FPGA.

• 1985: XC2064 – primul FPGA comercial.
• Anii 1990: XC4000 și Virtex™ – primele FPGA-uri cu memorie RAM integrată și DSP, esențiale pentru infrastructura wireless.
• 1999: Lansarea familiei Spartan – o alternativă rentabilă la ASIC-urile tradiționale pentru aplicații de volum mare.
• 2001: Primul FPGA cu SerDes integrat.
• 2011: Virtex-7 2000T devine primul model  FPGA din industrie produs cu tehnologia Chip-on-Wafer-on-Substrate (CoWoS) – deschizând calea pentru integrarea avansată 2.5D, esențială pentru sistemele HPC și inovațiile GPU în AI.
• 2012: Familia Zynq – primul SoC adaptiv care combină procesoare Arm cu logică programabilă.
• 2012: Lansarea Vivado™ Design Suite – a făcut designul FPGA accesibil dezvoltatorilor software.
• 2019: Lansarea primelor SoC-uri adaptive Versal – introducând AI Engines dedicate și o rețea programabilă pe cip (NoC).
• 2019: Lansarea platformei software unificate Vitis™ – oferind instrumente AI pre-optimizate și straturi de abstractizare pentru inferență mai rapidă.
• 2024: Versal AI Edge Series Gen 2 – integrează logică programabilă, CPU-uri, DSP-uri și AI Engines pentru prima accelerare AI completă pe un singur cip, alimentând o nouă generație de aplicații care necesită calcul eterogen, latență redusă și eficiență energetică.
• 2024: Familia Spartan UltraScale+ FPGA – extinde portofoliul de FPGA-uri și SoC-uri adaptive optimizate pentru cost și oferă performanță eficientă energetic pentru aplicații cu I/O intensiv la marginea rețelei.

Introducerea software-urilor Vivado și Vitis a fost esențială pentru extinderea pieței FPGA:

• Vivado permite dezvoltatorilor să-și optimizeze fluxurile de lucru, să reducă ciclurile de dezvoltare și să obțină performanțe superioare prin funcții avansate precum sinteza la nivel înalt, optimizări bazate pe învățare automată și integrare fără efort a nucleelor IP.
• Vitis™ oferă un mediu de dezvoltare cu instrumente pre-optimizate și straturi de abstractizare pentru accelerarea inferenței AI. Cea mai recentă versiune (2024.2) include funcționalități noi, cum ar fi un instrument standalone pentru design embedded în C/C++ și îmbunătățiri pentru utilizarea mai simplă a SoC-urilor adaptive AMD Versal cu AI Engines.

AMD continuă să investească în aceste instrumente pentru a crește productivitatea utilizatorilor și pentru a le permite să valorifice noile tipuri de date și modele AI în continuă evoluție.

Inteligența Artificială în Edge Computing 

Astăzi, majoritatea sarcinilor AI rulează pe GPU-uri din centrele de date. Totuși, o parte tot mai mare a procesării AI are loc în Edge Computing sau la marginea rețelei. Tehnologia FPGA se află în prim-planul creșterii rapide a aplicațiilor infuzate cu AI în numeroase industrii. FPGA-urile și SoC-urile adaptabile oferă procesare cu latență redusă a datelor de la senzori în timp real, permițând inferență accelerată AI la margine. Odată cu apariția modelelor AI generative mai mici, se prefigurează un „moment ChatGPT” la marginea rețelei, în care aceste modele pot rula direct pe dispozitive edge – fie că este vorba de un PC cu AI, un vehicul, un robot industrial, un satelit sau orice aplicație embedded.

Câteva exemple despre cum tehnologia AMD de calcul adaptiv susține AI în Edge Computing:

• NASA – FPGA-urile AMD Virtex permit AI pe roverele de pe Marte pentru detecția imaginilor, potrivirea și corectarea acestora, precum și filtrarea datelor inutile înainte de a fi trimise pe Pământ. În plus, cele mai noi SoC-uri adaptive Versal AI Edge, calificate pentru spațiu, aduc inferență AI accelerată în cosmos, cu AI Engines optimizate pentru aplicații de învățare automată.
• Subaru – a ales seria Versal AI Edge Gen 2 pentru a integra capabilități AI în noul sistem de asistență pentru șofer EyeSight.
• SICK – FPGA-urile Kintex™ UltraScale+™ și cadrul ML FINN ajută la automatizarea fabricilor prin inspecții rapide și precise ale coletelor.
• Radmantis – dispozitivele adaptive Kria™ SOM permit inferență AI în timp real pentru a sprijini acvacultura sustenabilă.
• JR Kyushu – unul dintre cei mai mari operatori de trenuri de mare viteză din Japonia folosește Kria SOM pentru procesarea imaginilor în timp real în sistemul AI de inspecție a șinelor.
• Clarius – utilizează SoC-urile adaptive Zynq UltraScale pentru a ajuta AI-ul să identifice zone de interes în dispozitivul său portabil de ecografie.

Privind spre viitor

Ne așteptăm ca tehnologia de calcul adaptiv bazată pe FPGA să continue să genereze inovații în aplicațiile AI din Edge Computing, în domenii precum conducerea autonomă, robotică și automatizare industrială, rețele 6G, schimbări climatice, descoperirea de medicamente, cercetare științifică și explorare spațială. Pe măsură ce sărbătorim 40 de ani de la invenția FPGA-ului, suntem extrem de mândri că am creat această tehnologie și reflectăm asupra drumului parcurs și a impactului său promițător în următoarele decenii. Dezvoltatorii care lucrează la produse de ultimă generație continuă să folosească FPGA-uri pentru a crea cipuri inovatoare, a accelera verificarea hardware și a reduce timpul de lansare pe piață. Compania AMD rămâne dedicată evoluției acestei tehnologii extraordinare pentru mulți ani de acum înainte.