ai芯片技術架構有哪些？FPGA芯片定義及結構分析

ai芯片技術架構有哪些？

AI芯片的技術架構可以根據其設計方式和特點進行分類。以下是幾種常見的AI芯片技術架構：

1. GPU（圖形處理器）架構：GPU最初是用于圖形渲染和游戲處理的，但由于其高度并行的特性，逐漸被應用于深度學習計算。GPU架構采用多個計算單元（CUDA核心）進行并行計算，能夠高效地執行浮點運算和矩陣計算。NVIDIA的Tensor Core技術進一步優化了GPU的深度學習計算能力。

2. FPGA（現場可編程門陣列）架構：FPGA是一種可以根據需要編程和重新配置的硬件。AI芯片中的FPGA架構允許開發者將深度學習模型轉換為硬件電路，以實現高度定制化和低功耗的計算。FPGA具有可重構性，可以根據需要靈活調整電路結構。

3. ASIC（專用集成電路）架構：ASIC是指專門為特定應用設計和制造的定制芯片。AI芯片中的ASIC架構基于特定的深度學習算法和網絡結構進行優化，通過專用硬件實現高效計算和推理。ASIC通常能夠提供更高的性能和能效比，但研發和生產成本較高。

4. NPU（神經網絡處理器）架構：NPU是專門為加速神經網絡運算而設計的硬件架構。NPU具有高度并行的計算單元，并針對深度學習計算進行了優化，如卷積計算、矩陣乘法和張量處理等。NPU可實現高效的神經網絡推理和訓練。

5. DSP（數字信號處理器）架構：DSP廣泛應用于信號處理和音頻處理領域，也被用于一些AI應用。DSP架構通過并行計算和高速運算單元，支持復雜的算術運算和信號處理操作，可加速深度學習推理任務。

這些AI芯片技術架構都有各自的特點和優勢，可以根據應用需求選擇合適的架構。同時，一些AI芯片采用了混合架構，結合了多種硬件類型和優化策略，以實現更靈活、高效的計算能力。

芯片的架構是什么意思

芯片的架構指的是芯片內部的設計和組織方式，包括電路結構、功能模塊、數據通路和控制單元等方面的內容。芯片的架構決定了芯片的性能、功能和能效等特性。

具體來說，芯片的架構涉及以下幾個方面：

1. 功能模塊：芯片的架構確定了芯片集成的各種功能模塊，如CPU核心、內存控制器、輸入輸出接口等。不同的應用需求可能需要不同的功能模塊組合。

2. 數據通路：芯片的架構描述了數據在芯片內部的流動路徑和處理過程。數據通路包括寄存器、運算單元、數據緩存等，用于數據傳輸、運算和存儲。

3. 控制單元：芯片的架構中包含了控制單元，用于管理和協調芯片內各個功能模塊的工作?？刂茊卧撠熤噶罱馕?、流水線調度、時序控制等任務，確保芯片能夠按照預定流程進行工作。

4. 性能特性：芯片的架構直接影響了芯片的性能特性，如時鐘頻率、運算能力、存儲容量等。合理的架構設計可以提高芯片的性能，并滿足特定應用場景的需求。

5. 能效特性：芯片的架構也與芯片的能效密切相關。有效的架構設計可以降低功耗，提高能效比，使芯片在給定的能耗下實現更高的性能。

芯片的架構設計需要綜合考慮應用場景、性能要求、功耗限制等多個因素。不同的架構設計可以在不同的應用領域中發揮優勢，滿足不同的需求。

FPGA芯片定義及結構

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

FPGA芯片主要由6部分完成，分別為：可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、完整的時鐘管理、嵌入塊式RAM、豐富的布線資源、內嵌的底層功能單元和內嵌專用硬件模塊。目前主流的FPGA仍是基于查找表技術的，已經遠遠超出了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能（如RAM、時鐘管理和DSP）的硬核（ASIC型）模塊。

FPGA工作原理

由于FPGA需要被反復燒寫，它實現組合邏輯的基本結構不可能像ASIC那樣通過固定的與非門來完成，而只能采用一種易于反復配置的結構。查找表可以很好地滿足這一要求，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工藝的查找表結構，也有一些軍品和宇航級FPGA采用Flash或者熔絲與反熔絲工藝的查找表結構。通過燒寫文件改變查找表內容的方法來實現對FPGA的重復配置。

查找表（Look-Up-Table）簡稱為LUT，LUT本質上就是一個RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的RAM。當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以后，PLD/FPGA開發軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果，并把真值表（即結果）事先寫入RAM，這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容，然后輸出即可。

可編程輸入/輸出單元簡稱I/O單元，是芯片與外界電路的接口部分，完成不同電氣特性下對輸入/輸出信號的驅動與匹配要求。FPGA內的I/O按組分類，每組都能夠獨立地支持不同的I/O標準。通過軟件的靈活配置，可適配不同的電氣標準與 I/O物理特性，可以調整驅動電流的大小，可以改變上、下拉電阻。目前，I/O口的頻率也越來越高，一些高端的FPGA通過DDR寄存器技術可以支持高達2Gbps的數據速率。

CLB是FPGA內的基本邏輯單元。CLB的實際數量和特性會依器件的不同而不同，但是每個CLB都包含一個可配置開關矩陣，此矩陣由4或6個輸入、一些選型電路（多路復用器等）和觸發器組成。開關矩陣是高度靈活的，可以對其進行配置以便處理組合邏輯、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中，CLB由多個（一般為4個或2個）相同的Slice和附加邏輯構成。每個CLB模塊不僅可以用于實現組合邏輯、時序邏輯，還可以配置為分布式RAM和分布式ROM。

自動駕駛的“芯”殺手

自動駕駛和高級駕駛輔助系統（ADAS）細分市場正在經歷蛻變，對計算和傳感器功能提出了新的復雜需求。FPGA擁有其他芯片解決方案無法比擬的獨特優勢，是滿足自動駕駛行業不斷發展變化的優良選擇。FPGA是芯片領域的一種特殊技術，一方面能夠通過軟件工具進行反復多次配置，另一方面擁有豐富的IO接口和計算單元。因此，FPGA能夠根據應用場景的具體需求，同時處理流水線并行和數據并行，天生具有計算性能高、延遲低、功耗小等優勢。

FPGA具備高吞吐量、高能效以及實時處理等多項優點，非常契合自動駕駛所需要的技術需求。高級輔助駕駛系統（ADAS）、車載體驗（IVE）應用的標準和要求正在快速演變，系統設計人員關注的問題主要包括出色的靈活性和更快的開發周期，同時維持更高的性能功耗比。通過可重新編程的FPGA和不斷增多的汽車級產品相結合，支持汽車設計師滿足設計要求，在不斷變化的汽車行業中始終保持領先。

適應性更強的平臺

對于自動駕駛芯片來說真正的價值在于計算引擎的利用率，即理論性能和實際性能之間的差異。FPGA包含大量的路由鏈路以及大量的小型存儲。這些資源的組合使設計人員能夠為其計算引擎創建定制的數據饋送網絡，以獲得更高的利用水平?？删幊踢壿嫗榭蛻籼峁┝烁叨鹊撵`活性，以適應ADAS和自動駕駛等新興應用領域不斷變化的需求。利用改進的接口標準、算法創新和新的傳感器技術，都需要適應性強的平臺，不僅可以支持軟件更改，還可以支持硬件更改，而這正是FPGA芯片的優勢所在。

FPGA芯片擁有可擴展性?？赏卣沟男酒淖兞丝删幊踢壿嫷臄盗?，大多采用引腳兼容的封裝。這意味著開發人員可以創建單個ECU平臺來承載低、中、高版本的ADAS功能包，并根據需要通過選擇所需的最小密度芯片來縮放成本。

差異化解決方案

FPGA芯片允許開發人員創建獨特的差異化處理解決方案，這些解決方案可以針對特定應用或傳感器進行優化。這對于ASSP芯片來說是無法實現的，即使是那些提供專用加速器的芯片，它們的使用方式也受到限制，而且基本上可以提供給所有競爭對手。例如Xilinx的長期客戶已經創建了只有他們可以訪問的高價值IP庫，并且這些功能可以被公司的各種產品使用。從90nm節點開始，對于大批量汽車應用，Xilinx的芯片就已經極具成本效益，有超過1.6億顆Xilinx芯片在該行業獲得應用。

編輯：黃飛