Xilinx赛灵思：历史、产品与应用介绍 – wiki基地

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赛灵思（Xilinx）：可编程逻辑的先驱与自适应计算的未来

在数字芯片的世界里，中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）无疑是大众最为熟知的明星。然而，在它们之外，有一类芯片以其独特的灵活性和并行处理能力，在众多关键领域扮演着不可或缺的角色——那就是现场可编程门阵列（FPGA）。而提及FPGA，一个名字必然被首先提起：赛灵思（Xilinx）。作为FPGA技术的发明者和长期领导者，赛灵思不仅仅是一家芯片公司，更是推动可编程逻辑、自适应计算乃至整个电子产业发展的重要力量。

本文将深入探讨赛灵思的传奇历程，从其创立伊始的创新火花，到其不断演进的产品家族，再到其广泛渗透的全球应用领域，最终展望其在并入AMD后在自适应计算时代的崭新未来。

第一部分：历史——开创可编程的新纪元

赛灵思的故事始于1984年，在加利福尼亚州的圣何塞。当时，数字电路设计的主流是使用标准逻辑门（如AND、OR、NOT门）构建特定功能的集成电路（ASIC，专用集成电路），或者使用可编程逻辑器件（PLD）实现相对简单的逻辑功能。ASIC性能高、成本低（大规模量产时），但设计周期长、成本高昂（特别是开发成本），一旦制造完成就无法更改功能。PLD则过于简单，无法实现复杂的设计。

正是在这样的背景下，三位富有远见的工程师——罗斯·弗里曼（Ross Freeman）、伯尼·文德斯米特（Bernie Vonderschmitt）和詹姆斯·巴内特（James Barnett）——看到了市场的空白和未来的趋势。他们构思了一种全新的集成电路，这种芯片内部包含大量的可编程逻辑单元和可编程互连资源，用户可以通过软件来配置这些资源，从而实现任何所需的数字逻辑功能。这种芯片不仅能像PLD一样实现逻辑功能，还能像ASIC一样实现更复杂、更高密度的设计，而且最重要的是，它可以被重复编程。他们将这项创新命名为现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）。

1985年，赛灵思推出了世界上第一款商用FPGA产品——XC2064。这款芯片虽然简单，只有64个可配置逻辑块（Configurable Logic Blocks, CLB），但它标志着一个新时代的开始。设计师不再需要投入巨资和漫长的时间去开发ASIC，而是可以在实验室里，通过下载一个新的配置文件，就瞬间改变芯片的功能。这极大地加速了原型验证、产品开发和功能迭代的速度，降低了设计风险。

随后的几十年里，赛灵思在FPGA技术上持续投入研发，不断提升器件的容量、性能、功耗和功能密度。XC3000系列、XC4000系列等产品的推出，逐步扩大了FPGA的应用范围。到了上世纪90年代末和本世纪初，随着制造工艺的进步，赛灵思推出了如Virtex和Spartan这样的经典系列。Virtex系列主打高性能和高密度，面向高端应用；Spartan系列则注重成本效益，面向大众市场。

赛灵思不仅仅在硬件上创新，其在软件工具链上也投入了巨大精力。从早期的ABEL、Viewlogic，到后来的ISE（Integrated Software Environment），再到如今的Vivado Design Suite和Vitis统一软件平台，易用且强大的设计工具是FPGA成功的关键。这些工具使得复杂的硬件设计过程变得更加高效，降低了使用门槛。

进入21世纪，随着系统级芯片（SoC）概念的兴起，赛灵思再次引领潮流。他们认识到许多应用需要处理器和可编程逻辑紧密结合。2011年，赛灵思推出了具有里程碑意义的Zynq-7000系列，将高性能ARM处理器核（Processor System, PS）与FPGA可编程逻辑（Programmable Logic, PL）集成在同一颗芯片上。这种异构架构极大地提升了FPGA的应用广度和深度，催生了无数基于Zynq的嵌入式系统、工业控制、通信设备和汽车电子产品。

随后，赛灵思继续推进其异构计算战略，推出了UltraScale和UltraScale+系列，将更高的性能、集成度以及对高速接口、内存带宽的支持推向新的高度。2018年，赛灵思发布了其下一代计算平台——自适应计算加速平台（Adaptive Compute Acceleration Platform, ACAP），并推出了基于该架构的首款产品系列Versal。ACAP不仅仅是将处理器和FPGA集成，它还加入了新的计算引擎，如AI引擎（AI Engine）和可编程网络互连（Network-on-Chip, NoC），旨在实现更高效、更灵活的异构计算，特别是针对人工智能、机器学习、数据中心加速等新兴且计算密集型的工作负载。

在保持技术领先地位的同时，赛灵思也面临着来自竞争对手（主要是Altera，后被Intel收购）的挑战，以及ASIC、GPU、CPU等其他计算平台在不同领域的竞争。然而，凭借持续的创新、强大的技术积累和深厚的客户基础，赛灵思长期保持着在FPGA市场的领导者地位。

2020年，半导体巨头AMD宣布以全股票交易的方式收购赛灵思，这笔交易于2022年2月最终完成。这次收购是半导体行业历史上最大规模的交易之一，标志着赛灵思开启了新的篇章。并入AMD后，赛灵思作为AMD自适应与嵌入式计算事业部（AECG）的核心，将其在自适应计算领域的优势与AMD在高性能CPU和GPU领域的实力相结合，共同构建一个更强大的计算平台，以满足从边缘设备到数据中心、再到超级计算机的广泛计算需求。尽管品牌逐渐融合，但赛灵思的技术和产品基因，以及其对可编程和自适应计算的愿景，仍在AMD的战略中扮演着至关重要的角色。

回顾赛灵思的历史，它是一部关于创新、坚持和适应的历史。从“可编程”这一简单而强大的理念出发，赛灵思开创了一个全新的芯片类别，并不断演进，成为数字世界中不可或缺的一部分。

第二部分：核心技术——FPGA的魅力所在

理解赛灵思，首先要理解其核心技术——FPGA。FPGA为何如此特别？它的魅力和优势体现在哪里？

简单来说，FPGA是一种“空白画布”式的芯片。与功能固定的ASIC不同，FPGA出厂时并没有预设的逻辑功能，其内部结构包含了大量的可编程单元和互连资源。用户可以通过下载一个“比特流（bitstream）”文件来配置这些资源，从而在芯片上实现任何想要的数字电路。一旦配置完成，FPGA就变成了一个根据用户设计定制的专用硬件电路。而且，这个过程可以在产品制造完成后进行，甚至是现场进行，这就是“Field-Programmable”的含义。

FPGA的核心组成部分通常包括：

1. 可配置逻辑块（Configurable Logic Blocks, CLB）： 这是FPGA的基本处理单元。一个CLB通常包含查找表（Look-Up Table, LUT）、触发器（Flip-Flop）或锁存器（Latch）、多路选择器（Multiplexer）等。LUT可以用来实现任何小的布尔逻辑函数，触发器用于存储状态信息，构成时序逻辑。
2. 输入/输出块（Input/Output Blocks, IOB）： 位于芯片的边缘，负责FPGA与外部世界的接口。IOB可以被配置成支持不同的电平标准、数据速率和接口协议。
3. 可编程互连资源（Programmable Interconnect）： 这是FPGA的“神经系统”，由大量的可编程开关和导线组成。通过配置这些开关，可以将不同的CLB、IOB和其他资源连接起来，形成复杂的逻辑电路。这是FPGA灵活性的关键。
4. 内嵌块状存储器（Block RAM）： 除了使用逻辑单元实现分布式存储器外，现代FPGA通常集成有大容量的专用块状存储器，可以配置成不同宽度和深度的RAM、ROM、FIFO等，用于数据缓冲、查找表等。
5. 数字信号处理（DSP）块： 为了高效实现数字信号处理任务（如乘法、累加、滤波），高性能FPGA集成了专门的DSP处理单元，它们具有更高的速度和更低的功耗来执行这类运算。
6. 处理器核（Processor Cores）： 如前文提到的Zynq和Versal系列，将硬核处理器（如ARM Cortex-A/R系列）集成到FPGA中，形成强大的异构SoC。
7. 高速收发器（Transceivers）： 用于实现Gbps甚至Tbps级别的高速串行通信接口，支持PCI Express、Ethernet、USB、SerDes等标准协议。
8. 时钟管理单元（Clock Management Tiles, CMT）： 提供精确的时钟生成、分配、移相和倍频/分频功能。

FPGA的优势在于：

• 灵活性和快速迭代： 设计可以在软件中修改和测试，无需流片，显著缩短开发周期，降低风险。功能升级和bug修复可以通过远程下载新的比特流实现。
• 并行性： FPGA是真正的并行硬件。不同的逻辑功能可以被同时实例化到芯片的不同区域独立运行，非常适合处理需要大量并行计算的任务。
• 低延迟和确定性： 由于是硬件电路，信号传播路径固定且短，FPGA可以实现非常低的端到端延迟和严格的实时响应，不像软件运行在通用处理器上可能受操作系统调度等因素影响。
• 性能功耗比： 对于某些特定类型的计算（如信号处理、模式匹配、定制算法加速），定制的硬件电路比运行在通用处理器上的软件效率更高，可以实现更高的性能和更好的能效比。
• 长产品生命周期： FPGA器件一旦定型，可以在市场上供应很长时间，而ASIC可能随着技术进步被淘汰。这对于需要长期维护的应用（如航空航天、工业控制）至关重要。

然而，FPGA也有其局限性：

• 成本： 单位逻辑功能的成本通常高于大规模量产的ASIC。
• 功耗： 相较于同等性能的ASIC，FPGA的功耗通常较高（尽管这一差距正在缩小）。
• 设计复杂度： FPGA设计需要硬件描述语言（如VHDL、Verilog）和专门的开发工具，对于软件工程师而言入门门槛较高（尽管高级综合工具正在改善这一状况）。
• 性能上限： 尽管性能强大，但由于可编程互连的存在，FPGA的最高时钟频率通常低于高度定制的ASIC。

正是凭借其独特的优势，FPGA在需要灵活性、并行处理、低延迟或硬件加速的应用中找到了自己不可替代的位置。赛灵思凭借对FPGA技术的深刻理解和持续创新，构建了强大的技术壁垒和市场地位。

第三部分：产品系列——构建多样化的计算平台

赛灵思的产品线覆盖了从低成本应用到最高性能需求的全范围，其产品家族随着技术的演进而不断壮大和细化。以下是一些主要的赛灵思产品系列：

1. Spartan 系列： 这是赛灵思面向成本敏感型应用的入门级FPGA系列。它提供了必要的逻辑容量、I/O功能和块存储器，适合用于简单的控制逻辑、接口桥接、教育、小型嵌入式系统等。Spartan系列以其良好的性价比在全球拥有庞大的用户群。最新的成员包括Spartan-7。
2. Artix 系列： 定位介于Spartan和Kintex之间，提供更高的性能和更丰富的资源，同时保持合理的成本。Artix系列适合用于数字信号处理、嵌入式视觉、小型通信设备等中端应用。最新的成员包括Artix-7。
3. Kintex 系列： 这是赛灵思的高性能中端系列，专注于提供优异的性能功耗比。Kintex系列具有更多的逻辑资源、DSP块、块存储器和高速收发器，非常适合用于通信基础设施、测试测量、医疗影像等对性能有一定要求但不需要最高端功能的应用。最新的成员包括Kintex-7和Kintex UltraScale/UltraScale+。
4. Virtex 系列： 这是赛灵思的旗舰系列，代表着最高的性能、最大的容量和最丰富的功能。Virtex系列拥有最庞大的逻辑资源、DSP块、存储器、高速收发器，并支持最先进的接口标准，面向最苛刻的应用，如数据中心加速、高性能计算、广播视频处理、航空航天与国防。最新的成员包括Virtex-7和Virtex UltraScale/UltraScale+。
5. Zynq 系列： 这是一个革命性的产品系列，是赛灵思推广异构SoC理念的开端。Zynq集成了ARM Cortex-A（通常是双核或四核）处理器系统和高性能可编程逻辑。这使得开发者可以在同一颗芯片上运行操作系统和软件应用（在处理器上），同时在可编程逻辑中实现高性能的硬件加速器、定制外设和实时控制逻辑。Zynq系列极大地简化了系统设计，降低了BOM成本。最新的成员包括Zynq-7000、Zynq UltraScale+ MPSoC（多处理器SoC，集成 Cortex-A、Cortex-R、GPU等多种核）和Zynq UltraScale+ RFSoC（射频SoC，集成射频转换器，直接处理模拟信号）。
6. Versal ACAP 系列： 这是赛灵思在并入AMD之前推出的最新一代旗舰平台，代表了其对自适应计算的愿景。Versal基于ACAP架构，是一个高度集成的、可编程的平台，包含了多种不同类型的计算引擎，包括：
   • 标量引擎（Scalar Engines）：高性能ARM Cortex-A/R处理器。
   • 自适应引擎（Adaptive Engines）：高度优化的可编程逻辑（FPGA）。
   • 智能引擎（Intelligent Engines）：针对AI/ML推理优化的AI引擎阵列（向量处理器）。
   • 以及Memory Tiles、Network-on-Chip (NoC)、高性能I/O和收发器等。
     Versal ACAP旨在提供前所未有的灵活性和性能，能够高效地处理各种工作负载，并能根据应用需求进行运行时甚至部分动态重配置。它被视为下一代数据中心加速、5G通信、自动驾驶、航空航天与国防等领域的关键使能技术。Versal系列根据应用领域和性能等级又细分为多个层级，如Prime、Premium、AI Core、AI Edge、HBM（集成高带宽内存）等。

除了硬件产品，赛灵思的成功也离不开其强大的软件开发工具。Vivado Design Suite是用于传统FPGA设计的核心工具，提供了从综合、实现到比特流生成的完整流程。而Vitis™统一软件平台则是一个更高级的开发环境，旨在简化异构计算的设计。Vitis允许软件工程师使用C、C++等高级语言以及各种领域特定的框架（如TensorFlow、PyTorch、OpenCV）来开发和部署在FPGA或ACAP上运行的加速应用，显著降低了硬件设计的门槛，使得更多软件开发者能够利用赛灵思平台的强大并行处理能力。

第四部分：广泛应用领域——无处不在的“可编程大脑”

赛灵思的FPGA和ACAP产品凭借其独特的灵活性和性能优势，已经在全球众多关键行业和应用领域扮演着至关重要的角色，堪称各种系统的“可编程大脑”。

1. 通信领域：

   • 5G 无线基础设施： 5G基站需要处理海量的无线信号数据，实现复杂的数字波束赋形、信道编码解码等功能。FPGA的并行处理能力和低延迟特性使其成为实现这些高性能、实时信号处理功能的理想选择。Zynq UltraScale+ RFSoC更是将射频信号处理直接集成到芯片中，简化了系统设计。
   • 有线网络： 在路由器、交换机、网络安全设备中，FPGA被用于实现高速接口、数据包处理、流量管理、加密解密等功能，其灵活性使其能够快速适应不断变化的协议标准和安全威胁。
   • 卫星通信： 在卫星载荷和地面站设备中，FPGA因其抗辐射能力、长产品生命周期和灵活的信号处理能力而被广泛应用。

2. 数据中心：

   • 计算加速： 数据中心面临着日益增长的计算需求，特别是人工智能/机器学习（AI/ML）推理、数据库加速、数据分析、金融风险建模等工作负载。FPGA/ACAP可以作为协处理器，为CPU卸载这些计算密集型任务，提供比CPU更高的能效比和比GPU更灵活的定制加速能力。微软Azure、亚马逊AWS等云服务提供商都提供基于赛灵思FPGA的计算加速服务。
   • 网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）： FPGA的灵活性使其能够快速实现和修改网络处理功能，支持虚拟化和软件定义架构。
   • 存储加速： 用于实现存储控制器的卸载、数据压缩解压、重复数据删除等。

3. 汽车领域：

   • 高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶： 这是FPGA/ACAP增长最快的应用领域之一。ADAS和自动驾驶系统需要实时处理来自摄像头、雷达、激光雷达等多个传感器的数据，进行传感器融合、目标检测、路径规划等复杂的计算。FPGA/ACAP的低延迟、确定性以及高效并行处理能力使其成为实现这些功能的关键平台，特别是用于早期传感器数据处理和融合。Versal ACAP的AI引擎特别适合处理视觉和雷达数据中的AI推理任务。
   • 车载信息娱乐系统（IVI）和驾驶舱： 用于图形处理、多媒体编解码、接口控制等。
   • 车载网络： 实现Ethernet AVB、CAN FD等车载网络协议的处理和桥接。

4. 航空航天与国防：

   • 雷达和电子战系统： 需要高性能、实时的信号处理能力，FPGA是实现这些复杂算法的核心。
   • 卫星载荷： 对器件的抗辐射能力和可靠性要求极高，赛灵思提供经过特殊加固的宇航级FPGA产品。
   • 军事通信和加密： 实现安全的通信链路和高速数据处理。
   • 制导和控制系统： 需要高可靠性和确定性。

5. 工业领域：

   • 工业自动化和机器人： FPGA/ACAP用于实现精确的电机控制、机器视觉、实时通信（如Ethernet/IP, Profinet）、功能安全等，确保生产过程的高效和可靠。Zynq系列的处理器+逻辑架构非常适合这种复杂的控制和监控应用。
   • 医疗设备： 在医学影像（如CT、MRI、超声）、诊断设备中，FPGA用于高性能的数据采集、处理和图像重建。其低延迟特性对于实时影像处理至关重要。
   • 测试测量设备： FPGA提供了构建高性能示波器、信号发生器、网络分析仪等仪器的核心处理能力，能够实现高速数据采集和复杂的信号分析。
   • 监控和安防： 用于视频编码解码、图像分析、目标识别等。

6. 消费电子：

   • 虽然不如前述领域那样是核心应用，但FPGA有时也出现在高端消费电子产品中，例如用于音频处理、显示控制、接口扩展或需要定制硬件加速功能的场景。
   • 在边缘计算和物联网设备中，尤其是需要本地AI推理或定制硬件加速的场景，低功耗的Zynq UltraScale+ MPSoC或Versal AI Edge系列正在获得越来越多的应用。

这些应用只是冰山一角，赛灵思的技术还在科研、教育、广播、高性能计算等众多领域发挥着作用。其产品的核心价值在于，它提供了一个高度灵活的硬件平台，能够快速适应不断变化的应用需求和技术标准，使得开发者可以根据具体问题构建最优化的硬件加速方案，从而实现传统通用处理器难以企及的性能、功耗或实时性目标。

第五部分：未来展望与AMD整合下的新机遇

赛灵思并入AMD，并非简单的合并，而是AMD构建“端到端”计算战略的关键一步。AMD现在能够提供从CPU、GPU到FPGA和自适应SoC的完整计算产品线，覆盖了从高性能计算到边缘计算、再到嵌入式应用的广泛市场。

在AMD旗下，原赛灵思的技术和产品被整合进AMD的自适应与嵌入式计算事业部（AECG）。这意味着：

1. 技术融合与协同： AMD可以将赛灵思在自适应硬件、异构计算、软件工具链方面的积累，与自身在CPU架构（Zen）、GPU架构（RDNA/CDNA）、互连接技术、制造工艺优化方面的优势相结合。未来可能会出现CPU、GPU和ACAP更紧密集成的产品，甚至是在同一封装内集成的多芯片模块（Chiplet）。
2. 市场拓展： AMD强大的销售渠道和客户关系将有助于赛灵思技术渗透到更广阔的市场，特别是数据中心、高性能计算和PC/消费级AI加速等领域。同时，赛灵思在工业、汽车、航空航天等领域的深厚根基也将为AMD带来新的增长点。
3. 软件生态统一： AMD正在推动其统一软件平台战略，旨在简化开发者在AMD不同计算平台（CPU、GPU、FPGA/ACAP）上进行并行计算和异构编程的难度。赛灵思的Vitis平台预计将在其中扮演重要角色，并与AMD的其他软件工具链（如ROCm）协同发展，降低自适应硬件的开发门槛。
4. 制造规模效应： 并入AMD后，赛灵思产品可以利用AMD更强的议价能力和更大的产能分配，这对于缓解供应链挑战和提升产品竞争力至关重要。

未来，我们可以预见基于Versal ACAP架构的持续演进，集成更高性能的计算引擎、更大的容量、更先进的I/O技术。自适应计算将成为AMD差异化竞争的关键要素之一，特别是在需要高性能异构计算和灵活硬件加速的领域。无论是云端的AI训练与推理，边缘侧的实时处理和低功耗AI，还是汽车和工业领域的确定性控制与功能安全，赛灵思的技术都将继续扮演核心角色。

同时，随着AI应用的爆发式增长，对高效、灵活的AI推理硬件需求激增。Versal ACAP的AI引擎以及其与可编程逻辑、处理器的紧密集成，使其成为AI推理加速的有力竞争者，能够提供定制化的AI加速方案，满足不同应用场景对精度、延迟、功耗的独特要求。

结论

从1984年点燃FPGA的创新火花，到如今成为AMD旗下自适应计算的战略核心，赛灵思的故事是一部关于技术革新如何重塑产业的精彩篇章。它不仅仅发明了一种新的芯片类型，更围绕这种技术构建了一个强大的生态系统，并通过持续的创新将可编程逻辑的能力推向新的高度，从最初的简单逻辑实现，发展到集成了高性能处理器、AI引擎和高速互连的复杂异构平台。

赛灵思的产品已经深入到我们生活的方方面面，从保障通信畅通的基站，到加速科学发现的数据中心，从提升驾驶安全的智能汽车，到驱动工业生产的自动化设备。它以其独特的灵活性和高性能，成为了许多关键技术突破的幕后英雄。

在与AMD整合的新时代，赛灵思的技术基因将与AMD的CPU和GPU优势相结合，共同探索自适应计算的无限可能。我们有理由相信，作为可编程逻辑的先驱和自适应计算的领导者，赛灵思（现在是AMD的一部分）将继续在塑造未来计算格局中发挥举足轻重的作用，为更智能、更互联、更高效的世界提供强大的“可编程大脑”和“自适应心跳”。

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