图1：最简单的FPGA 仅包含可编程结构和可配置一般用途IO (GPIO) (a)；但不同的架构会使用一些元件来扩大这一基础结构，如SRAM 区块、PLL 和时脉管理器(b)；DSP 区块和SERDES 介面(c)；以及处理器硬核和周边装置(d)。

CAN、I 2 C、SPI、UART和USB等周边装置介面功能，可以实作为可编程结构中的软核心，但许多FPGA都将其作为硬核心包含在矽中。同样，微处理器也可实作为可编程结构中的软核心，或是矽中的硬核心(图1d)。具备硬处理器核心的FPGA，称为系统单晶片(SoC) FPGA。不同的FPGA会提供不同的功能、特点、能力及容量组合，可适用于不同的市场与应用。

 

FPGA厂商为数不少，其中包括Altera (已被Intel收购)、Atmel (已被Microchip Technology收购)、Efinix、Lattice Semiconductor、Microsemi (也已被Microchip Technology收购)以及Xilinx。

 

这些厂商全都提供多种系列的FPGA；有些提供SoC FPGA，有些提供锁定人工智慧(AI) 和机器学习(ML) 应用的元件，有些则提供可耐受辐射且针对太空等高辐射环境设计的元件。由于可选的系列实在太多，每个都提供不同的资源，因此针对手边的任务挑选最佳元件并不容易。

 

Xilinx 的FPGA、SoC、MPSoC、RFSoC 和ACAP 产品介绍

Xilinx 提供许多款可编程元件产品，从最普通到极高的效能与功能都有。范围包括传统的FPGA、SoC (具备单一硬核心处理器的FPGA 可编程结构)、MPSoC (具备多重硬核心处理器的FPGA 可编程结构)、RFSoC (具备RF 能力的MPSoC)，再到ACAP (适应性运算加速平台) (图2)。

 

Xilinx 产品组合非常广泛，可用于非常多的市场区隔，并提供各种各样的部署方法，因此对不熟悉FPGA 的人来说，可能很难了解全貌。

Xilinx 应对的市场包括但不限于资料中心(运算、网路、储存)；通讯(有线、无线)；航太与国防；工业、科学与医疗(ISM)；测试、测量与模拟(TME)；以及汽车、广播和消费性市场。

在部署方法方面，当中包含Xilinx 所谓的硬体可调适元件，包括晶片、评估板和开发套件；可部署终端系统，包括系统模组和PCIe 加速卡；以及FPGA 即服务(FAAS)，包括藉由一流云端提供业者来评估与善用Xilinx 技术，这些业者包括Amazon Web Services (AWS)、Alibaba.com 和Nimbix.net。

Xilinx 的FPGA 产品分类方法之一，是依照制程技术节点来分类(图3)。
 

图3：Xilinx 的FPGA 产品提供完整的多节点产品组合，可满足许多应用的要求。

根据目标应用而定，设计人员可能会选择在较前期的技术节点，实作低成本、小型覆盖区的FPGA，或是针对先进的网路应用等，选择在最新的技术节点，实作高容量、高频宽、高效能的元件。

对于需要一或多个硬处理器核心(和其他硬化功能，如GPU、编解码器，以及软决策前向错误修正(SD-FEC) 核心) 的设计，Xilinx 则提供一个称为Zynq 的元件系列。图4 显示Zynq 的SoC、MPSoC 和RFSoC 产品摘要。这套解决方案为设计人员提供多种能力，协助针对功率、效能、成本及上市时间进行最佳化。

图4：Xilinx的SoC、MPSoC及RFSoC产品整合了处理器的软体可编程性，以及FPGA的硬体可编程性，从而为设计人员提供高系统效能、弹性与可扩充性。(图片来源：Max Maxfield)

Xilinx 的最新产品是Versal 适应性运算加速平台(ACAP) 元件，全部实作于7 nm 制程技术节点。ACAP 是高度整合的多核心运算平台，可适应不断演进的各种演算法。这些平台能在硬体和软体层级进行动态客制化，以符合广泛的应用与工作负载。ACAP 是根据可编程网路晶片(NoC) 进行建构，硬体设计人员与软体开发人员皆能轻松对其进行编程。

Versal 元件的新特点包括：智慧引擎，即用于ML 和DSP 工作负载的大规模向量处理器阵列；高频宽、低延迟、低功耗的可编程NoC，可移动TB 规模资料；以及整合式外壳，可利用预先打造的核心基础架构和系统连接性，来提升效能、利用率与生产力。

图5 显示了Versal ACAP 产品组合概览。

图5：Xilinx 的Versal ACAP 是高度整合的多核心运算平台，可适应不断演进的各种演算法。ACAP 能在硬体和软体层级进行动态客制化，以符合广泛的应用与工作负载。(图片来源：Max Maxfield)

如同之后设计工具部分所探讨，有关Versal 元件的一个关键差异点是采用新的软体堆叠。此堆叠的目标使用者是资料科学家与软体工程师，以及传统硬体设计工程师。

图6：Xilinx 的Vivado 与Vitis 设计工具堆叠的深度检视图，反映出使用者能如何在最适当的抽象层级使用这些工具。硬体设计人员使用Vivado，软体开发人员使用Vitis，而AI 和资料科学家使用Vitis AI。(图片来源：Max Maxfield)

下个抽象层级获得的支援，此平台使软体开发人员能完美打造出加速型应用。从概念上说，此平台让AI和资料科学家能在TensorFlow抽象层级作业。Vitis AI是在Xilinx硬体平台上进行AI推论的开发平台，同时包括边缘设备和Alveo PCIe卡。Vitis AI包含经过最佳化的IP、工具、资料库、模型与范例设计，目的是彻底利用Xilinx的FPGA和ACAP元件之AI加速潜力。

Vitis AI 会馈送到Vitis，Vitis 本身会馈送到Vivado。图6 的关键重点是，使用者只会「看到」他们需要「看到」的部分。也就是说，硬体开发人员只会「看到」Vivado，软体开发人员只会「看到」Vitis，而AI 和资料科学家只会「看到」Vitis AI。如此一来，使用者就能在最适当的抽象层级使用这些工具。

若为软体开发人员提供Vitis 等工具套件，将他们与底层的硬体隔离开来，那么便能让更多的开发人员取得FPGA。同样地，若为AI 和资料科学家提供Vitis AI 等工具套件，让他们关注于自己的抽象层级并与底层软体隔离开来，也能让一群新的开发人员取得FPGA。

在提供这些能力层面，Xilinx 扮演着整个产业的先锋推手，将FPGA 工具提升到更高的设计抽象层级，进而让开发人员能更轻易地运用这些元件的能力，并整合到接下来的设计中。

结论

最佳的处理设计解决方案通常由处理器与FPGA 的组合提供；也可由FPGA 本身或以处理器硬核心为部分结构的FPGA 提供。FPGA 技术近年来迅速发展，能在灵活性、处理速度和功率方面满足设计的许多要求，因而可用于许多应用，包括智慧型介面、机械视觉及人工智慧等。

如本文所述，Xilinx 提供多款可编程元件，从最普通到极高的效能与功能都有。这些产品的范围包括传统的FPGA、SoC (具备单一硬核心处理器的FPGA 可编程结构)、MPSoC (具备多重硬核心处理器的FPGA 可编程结构)、RFSoC (具备RF 能力的MPSoC)，再到ACAP (适应性运算加速平台)。