作者：Adam Taylor

　　編者按：全新的 FPGA 架構(gòu)方法帶來了更精細(xì)的控制和更大的靈活性，以滿足機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 和人工智能 (AI) 的需求。本系列文章包括兩部分，第 1 部分介紹了 Efinix 的一款此類架構(gòu)，以及如何借助開發(fā)板快速入門。第 2 部分討論了開發(fā)板與外部器件和外設(shè)(如攝像頭)的連接。

　　從工業(yè)控制和安全到機(jī)器人、航空航天和汽車，F(xiàn)PGA 在許多應(yīng)用中扮演著重要角色。憑借可編程邏輯內(nèi)核的靈活性及其廣泛的接口能力，F(xiàn)PGA 在需要部署 ML 推理的影像處理中的應(yīng)用日漸廣泛。FPGA 非常適合用來實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)高速攝像頭接口的解決方案。此外，F(xiàn)PGA 還能在邏輯中實(shí)現(xiàn)專門的處理管道，從而消除基于 CPU 或 GPU 的解決方案的相關(guān)瓶頸。

　　然而，對于許多開發(fā)人員來說，他們的應(yīng)用需要更多 ML/AI 功能及更精細(xì)的控制或路由和邏輯，而這些是采用組合邏輯塊 (CLB) 的經(jīng)典 FPGA 架構(gòu)所不能提供的。全新的 FPGA 架構(gòu)方法解決了這些問題。例如，Efinix 的 Quantum 架構(gòu)采用可交換邏輯和路由 (XLR) 塊。

　　本文討論了 Efinix FPGA 架構(gòu)的主要特點(diǎn)和屬性，重點(diǎn)介紹其 AI/ML 能力并探討了其在真實(shí)世界的實(shí)現(xiàn)。隨后，本文討論了一款開發(fā)板及相關(guān)工具，開發(fā)人員可以借助它們快速開始后續(xù) AI/ML 成像設(shè)計(jì)。

　　Efinix FPGA 器件

　　Efinix 目前提供兩個(gè)系列的器件。最初推出的是 Trion 系列，邏輯密度為 4000 (4K) 至 120K 邏輯元件 (LE)，采用 SMIC 40LL 工藝制造。最新系列的器件則是 Titanium 系列，邏輯密度為 35K 至 100 萬 (1M) 邏輯元件，采用非常流行的 TSMC 16 nm 節(jié)點(diǎn)制造。

　　這兩個(gè)系列均基于 Quantum 架構(gòu)，這在 FPGA 領(lǐng)域是獨(dú)一無二的。標(biāo)準(zhǔn) FPGA 架構(gòu)基于 CLB，在最基礎(chǔ)的層面上，包含一個(gè)查找表 (LUT) 和觸發(fā)器。CLB 實(shí)現(xiàn)邏輯方程，然后通過路由互連。借助 XLR 塊，Efinix 的 Quantum 架構(gòu)擺脫了單獨(dú)的邏輯和路由塊。

　　XLR 塊的獨(dú)特之處在于，可以將其配置為具有 LUT、寄存器和加法器或路由矩陣的邏輯單元。這種方法帶來一個(gè)更精細(xì)的架構(gòu)，可提供路由靈活性，使復(fù)雜邏輯或路由的實(shí)現(xiàn)能夠達(dá)到預(yù)期的性能。

　　圖 1：XLR 塊的獨(dú)特之處在于，可以將其配置為具有 LUT、寄存器和加法器或路由矩陣的邏輯單元。(圖片來源：Efinix)

　　最新的 Titanium 系列器件為開發(fā)人員提供了最先進(jìn)的功能(圖 2)。搭載 XLR 內(nèi)核，該系列器件可提供運(yùn)行速度為 16 Gbps 或 25.8 Gbps(具體取決于所選擇的器件)的多千兆位串行鏈路。這些多千兆位鏈路對于實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)外的高速數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。

　　圖 2：Titanium FPGA Ti180 提供多種選擇，具體取決于總線寬度、I/O 和存儲器要求。(圖片來源：Efinix)

　　Titanium 器件還提供廣泛的輸入/輸出 (I/O) 接口功能，可歸類為通用 I/O (GPIO)，并可支持單端 I/O 標(biāo)準(zhǔn)，如 3.3 V、2.5 V 和 1.8 V 的低壓 CMOS (LVCMOS)。

　　對于高速和差分接口，Titanium 器件提供高速 I/O (HSIO)，支持單端 I/O 標(biāo)準(zhǔn)，如 1.2 V、1.5 V 的 LVCMOS，以及 SSTL 和 HSTL。HSIO 支持的差分 I/O 標(biāo)準(zhǔn)包括低壓差分信號 (LVDS)、差分 SSTL 和 HSTL。

　　現(xiàn)代 FPGA 還需要緊密耦合的高帶寬存儲器來存儲用于圖像處理應(yīng)用的圖像幀、用于信號處理的采樣數(shù)據(jù)，當(dāng)然還要為 FPGA 內(nèi)實(shí)現(xiàn)的處理器運(yùn)行操作系統(tǒng)及軟件。Titanium 系列器件能夠連接動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)速率四 (DDR4) 和低功耗 DDR4(x) (LPDDR4(x))。根據(jù)所選擇的具體 Titanium 器件，支持的總線寬度為 x32 (J) 或 x16 (M)，而有些器件不支持 LPDDR4 (L)。

　　Titanium FPGA 基于 SRAM，需要配置存儲器，通過主/從串行外設(shè)互連器件 (SPI) 或 JTAG 進(jìn)行器件配置。為了確保這種配置方法安全，Titanium FPGA 使用 AES GCM 對比特流進(jìn)行加密，同時(shí)使用 AES GCM 和 RSA-4096 提供比特流驗(yàn)證。采用這種強(qiáng)大的安全措施非常有必要，原因在于 FPGA 部署在邊緣，惡意攻擊者可在邊緣訪問并操縱其行為。

　　開發(fā)板介紹

　　開發(fā)板是 FPGA 評估流程的關(guān)鍵要素，因?yàn)樗鼈兛梢杂脕硖剿髌骷墓δ芎驮蛻?yīng)用，從而幫助降低整體風(fēng)險(xiǎn)。首款可用于評估 Titanium FPGA 和開始原型設(shè)計(jì)應(yīng)用的開發(fā)板是 Ti180 M484(圖 3)。此開發(fā)板具有一個(gè) FPGA 夾層卡 (FMC) 連接器和 4 個(gè)Samtec QSE 連接器。

　　圖 3：除 Titanium FPGA 外，Ti180 M484 開發(fā)套件還配備一個(gè) FMC 連接器和 4 個(gè) Samtec QSE 連接器。(圖片來源：Adam Taylor)

　　安裝在此開發(fā)板上的 Ti180 FPGA 提供 172K XLR 單元、32 個(gè)全局時(shí)鐘、640 個(gè)數(shù)字信號處理 (DSP) 元件和 13 Mb 的嵌入式 RAM。DSP 元件能夠?qū)崿F(xiàn)固定點(diǎn) 18 x 19 乘法和 48 位乘法運(yùn)算。此 DSP 還可針對以雙路或四路配置運(yùn)行的單指令多數(shù)據(jù) (SIMD) 運(yùn)算進(jìn)行優(yōu)化。DSP 元件也可以配置為執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算。

　　像大多數(shù)開發(fā)板一樣，Ti180 開發(fā)板提供了簡單的 LED 和按鈕。但是，其真正的強(qiáng)大之處在于連接能力。Ti180 開發(fā)板提供一個(gè)小引腳數(shù)的 FMC 連接器，可以連接各種外設(shè)。由于這是一種廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)，因此有許多 FMC 卡可以實(shí)現(xiàn)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)存/存儲解決方案的連接。

　　除 FMC 連接外，此開發(fā)板還配備 4 個(gè) Samtec QSE 連接器，供開發(fā)人員添加擴(kuò)展卡。這些 QSE 連接器用于提供 MIPI 輸入和輸出，其中每個(gè) QSE 連接器提供一個(gè) MIPI 輸入或輸出。

　　圖 4：Ti180 M484 開發(fā)套件，圖中顯示了其基于 QSE 和 FMC 連接器的多種擴(kuò)展選項(xiàng)。(圖片來源：Adam Taylor)

　　Ti180 開發(fā)板還提供 256 Mb 的 LPDDR4，以支持影像或信號處理應(yīng)用所需的高性能存儲器。此外，該開發(fā)板提供了一系列時(shí)鐘選項(xiàng)(25、33.33、50 和 74.25 MHz)，可搭配器件鎖相環(huán) (PLL) 使用以產(chǎn)生不同的內(nèi)部頻率。

　　在開發(fā)過程中，能夠在開發(fā)板上實(shí)時(shí)重新編程和調(diào)試至關(guān)重要，而這需要 JTAG 連接，此板通過 USB-C 接口提供了此連接。另外，還提供了兩個(gè) 256 Mb NOR 閃存器件形式的非易失性存儲器，可用于演示配置解決方案。

　　此開發(fā)板由包裝盒內(nèi)隨附的 12 V 通用電源適配器供電。附件還包括一個(gè) FMC 到 QSE 分線板，以及基于 QSE 的 HDMI、以太網(wǎng)、MIPI 和 LVDS 擴(kuò)展卡。為了演示 Ti180 的影像處理能力，還提供一個(gè)雙 RPI 子卡和兩個(gè) IMX477 攝像頭卡。

　　軟件環(huán)境

　　實(shí)現(xiàn)針對 Ti180 開發(fā)板的設(shè)計(jì)時(shí)要使用 Efinix 軟件 Efinity。該軟件能夠通過合成及布局布線生成比特流。此外，它還為開發(fā)人員提供了知識產(chǎn)權(quán) (IP) 塊、時(shí)序分析和片上調(diào)試功能。

　　請注意，需要有開發(fā)板才能使用 Efinity 軟件。但與其他供應(yīng)商不同的是，該工具沒有其他需要額外許可的版本。

　　在 Efinity 中，針對所選的器件創(chuàng)建項(xiàng)目。然后，可以將 RTL 文件添加到項(xiàng)目中，并為定時(shí)和 I/O 設(shè)計(jì)創(chuàng)建約束條件。利用 HSIO、GPIO 和專用 I/O，開發(fā)人員還可在 Efinity 中實(shí)現(xiàn) I/O 設(shè)計(jì)。

　　圖 5：在 Efinity 中，針對所選器件創(chuàng)建項(xiàng)目。(圖片來源：Adam Taylor)

　　FPGA 設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是利用 IP，特別是復(fù)雜的 IP，如 AXI 互連、存儲器控制器和軟核處理器。Efinity 為開發(fā)人員提供了一系列 IP 塊，可用于加速設(shè)計(jì)過程。

　　圖 6：Efinity 為開發(fā)人員提供了一個(gè) IP 產(chǎn)品目錄，可用于加速設(shè)計(jì)過程。(圖片來源：Adam Taylor)

　　雖然 FPGA 在實(shí)現(xiàn)并行處理結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)優(yōu)異，但許多 FPGA 設(shè)計(jì)包含軟核處理器。這些處理器能夠?qū)崿F(xiàn)順序處理，如網(wǎng)絡(luò)通信。為了能夠在 Efinix 器件中部署軟核處理器，Efinity 提供了 Sapphire 片上系統(tǒng) (SoC) 配置工具。Sapphire 允許開發(fā)人員定義一個(gè)多處理器系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有跨多個(gè)處理器的緩存和緩存一致性，同時(shí)能夠運(yùn)行嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)。在 Sapphire 中，開發(fā)人員可以選擇 1 至 4 個(gè)軟核處理器。

　　所實(shí)現(xiàn)的軟核處理器是 VexRiscV 軟 CPU，基于 RISC-V 指令集架構(gòu)。VexRiscV 處理器是一款 32 位實(shí)現(xiàn)，具有流水線擴(kuò)展，并提供可配置的特性集，使其非常適合用作 Efinix 器件中的軟核處理器?？蛇x配置包括乘法器、原子指令、浮點(diǎn)擴(kuò)展和壓縮指令。根據(jù) SoC 系統(tǒng)的配置，性能范圍為 0.86 至 1.05 DMIPS/MHz。

　　在 Efinix 器件中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)硬件環(huán)境后，即可使用 Ashling RiscFree IDE 來開發(fā)應(yīng)用軟件。Ashling RiscFree 是一款基于 Eclipse 的 IDE，能夠創(chuàng)建和編譯應(yīng)用軟件，并可針對目標(biāo)進(jìn)行調(diào)試，以在部署前對應(yīng)用程序進(jìn)行微調(diào)。

　　圖 7：Ashling RiscFree 是一款基于 Eclipse 的 IDE，能夠創(chuàng)建和編譯應(yīng)用軟件，并可針對目標(biāo)進(jìn)行調(diào)。(圖片來源：Adam Taylor)

　　如果要開發(fā)嵌入式 Linux 解決方案，將提供所有必要的啟動(dòng)工具，包括第一級引導(dǎo)程序、OpenSBI、U-Boot 和使用 Buildroot 的 Linux。另外，如果需要實(shí)時(shí)解決方案，開發(fā)人員可以使用 FreeRTOS。

　　AI 實(shí)現(xiàn)

　　Efinix 的 AI 實(shí)現(xiàn)以 RISC-V 軟核運(yùn)算為基礎(chǔ)。其中利用 RISC-V 處理器的自定義指令功能，來實(shí)現(xiàn) TensorFlow Lite 解決方案的加速。借助 RISC-V 處理器，用戶還能夠創(chuàng)建自定義指令，這些指令可用作 AI 推理后的預(yù)處理或后處理的一部分，從而創(chuàng)建出響應(yīng)速度更快、更具確定性的解決方案。

　　要開始 AI 實(shí)現(xiàn)，第一步是探索 Efinix 模型庫，這是一個(gè)已針對其終端技術(shù)優(yōu)化的 AI/ML 模型庫。對于使用 Efinix 器件的開發(fā)人員，可以訪問該模型庫，并使用 Jupyter Notebooks 或 Google Colab 來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)后，便可使用 TensorFlow Lite 轉(zhuǎn)換器將其從浮點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換為量化模型。

　　轉(zhuǎn)入 TensorFlow Lite 格式后，可以利用 Efinix 的 tinyML 加速器在 RISC-V 解決方案上創(chuàng)建可部署的解決方案。tinyML 生成器使開發(fā)人員能夠定制加速器的實(shí)現(xiàn)并生成項(xiàng)目文件。當(dāng)以這種方式部署時(shí)，加速可達(dá) 4 至 200 倍，具體取決于所選的架構(gòu)和定制方案。

　　總結(jié)

　　憑借獨(dú)特的 XLR 結(jié)構(gòu)，Efinix 器件可為開發(fā)人員提供靈活性。該工具鏈不僅能實(shí)現(xiàn) RTL 設(shè)計(jì)，還能實(shí)現(xiàn)部署軟核 RISC-V 處理器的復(fù)雜 SoC 解決方案。AI/ML 解決方案建立在軟核 SoC 之上，可以實(shí)現(xiàn) ML 推理的部署。