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FPGA四十年:从逻辑阵列到边缘AI

FPGA AI Zynq
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在AMD庆祝Xilinx推出首款FPGA四十周年之际,我们一起回顾这项技术的变迁历程与未来走向。

起点:1985年
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1985年,Xilinx发布了全球首款商业化的现场可编程门阵列(FPGA),标志着一个新时代的开始。1986年,XC2018问世,单芯片集成了1,800个门电路,为可定制硬件打开了新的大门。

1984年,Ross Freeman、Bernie Vonderschmitt 与 James Barnett 离开 Zilog 创办了 Xilinx,致力于打造可由用户编程的芯片设备。在Kleiner Perkins风险投资公司的支持下,他们获得了86.2万美元的启动资金,缔造了一个如今价值百亿美元的产业。

见证历史时刻
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1986年,我为EDA Magazine(前身为 Silicon Design)撰写了关于 XC2018 的文章,当时市场上仍以PAL与门阵列为主。Xilinx采用CMOS工艺推出的逻辑单元阵列(LCA),让硬件可重构性走进了设计师的日常工作。

以下是当年文章的节选:

FPGA
发表于EDA Magazine的XC2018介绍文章(图源:Nitin Dahad)

“Xilinx 的 LCA 设备结合了高密度、灵活架构以及低门数门阵列的高性能优势。设计人员可以直接购买标准器件,在个人电脑上进行编程。无需大批量订单,也无需昂贵的工作站工具,所有设计流程——从原理图、逻辑仿真、时序模拟到编程和在线调试——都可在IBM-PC上完成。”

AMD视角:超过30亿颗设备的交付
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时间来到2025年,AMD(于2022年以约490亿美元收购Xilinx)表示,已累计向全球7,000多个客户交付超过30亿颗FPGA与自适应SoC产品。

“FPGA开启了一个超百亿美元的产业,”AMD在2025年6月的博客中表示,“其灵活性正在改变从汽车到航空航天等多个行业。”

Kirk Saban 的20年回顾
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AMD自适应与嵌入式计算部门副总裁 Kirk Saban 分享了他在Xilinx与AMD工作的20年经历:

“我职业生涯都在FPGA领域。从最初的CLB和查找表到现在的AI引擎、硬核CPU和224Gbps的SerDes,令人惊叹。”

Saban指出,FPGA如今早已超越“胶合逻辑”,成为众多系统的计算核心,特别适合边缘AI推理与实时通信。

两次关键变革
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1. Zynq:自适应SoC的诞生
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约在2010年,Xilinx推出Zynq产品系列,将Arm处理器与可编程逻辑整合,首次将软件生态引入硬件设计流程。

“这是一次范式转变——从Verilog代码到完整应用软件栈。”

Zynq如今已成为数十亿美元级别的产品线,广泛用于汽车、机器人与边缘AI领域。

2. 2.5D封装与Chiplet技术
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同一时期,Xilinx率先采用TSMC CoWoS封装技术实现异构集成,在单个封装内集成多个裸片。

“这是构建FPGA方式的根本改变,也为现代GPU和AI加速器奠定了基础。”

FPGA演进图
FPGA技术演进图(图源:AMD)

FPGA的持久优势:可适应性至关重要
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尽管GPU和ASIC越来越普及,Saban认为FPGA的核心价值依然不可取代:

“除非你要制造几百万颗芯片,否则ASIC的经济性并不现实。FPGA让客户更快实现产品落地,应对标准演变,快速适配需求。”

在AI、国防、自动化等快速迭代的应用场景中,FPGA的可编程性是不可替代的优势。

AMD协同效应:加速不偏航
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自从加入AMD之后,Saban表示团队获得了规模红利,但保持了技术方向上的独立性。

“AMD没有改变我们原有的路线图,反而增强了我们从嵌入式到云加速器之间的协同能力。”

他提到,尽管Zynq和Versal产品都内置Arm核,但也支持软核RISC-V——例如MicroBlaze V,就是MicroBlaze软核的新演进版本。

“很多人以为AMD只做x86,其实我们完全可以在路线图中灵活采用Arm、RISC-V等架构,视应用需求而定。”

品牌影响力方面也有显著提升:

“在Xilinx时,很多人甚至不会念我们公司的名字。但说你在AMD工作,那就是家喻户晓的品牌。”

展望未来:边缘AI与类人机器人
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Saban对边缘AI的发展充满信心。他认为,实时视觉、传感器和AI推理的融合正是FPGA的主场。

“Zynq和Versal等设备非常适合实现这种融合计算,应用覆盖从农业机器人、国防系统到工业自动化。”

至于热门趋势,他指出:

“我们看到很多客户对类人机器人的兴趣,尤其是在消防等危险任务中取代人类,避免生命风险。”

结语
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四十年过去,FPGA从简单的逻辑器件成长为智能系统的核心引擎。在边缘AI、类人机器人等未来场景中,其灵活、可重构、高性能的特性,仍将不可替代。

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