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白皮書 | Versal 平台的系統級優勢
過去幾年裡，計算行業見證了數據的大規模爆發以及機器學習（ ML ）與 AI 應用的激增。其結果是對更高吞吐量和實時計算能力愈發強烈的需求，與此同時還要保持靈活應變能力，以便跟上不斷演進的工作負載需求和不斷變化的協議。
賽靈思 Versal 產品組合提供了一種顛覆性架構，將同類最佳的 7nm 可編程邏輯與標量處理引擎、空間處理硬體引擎、矢量處理智能引擎相結合，同時採用領先的存儲器和接口技術，從而為一系列市場和應用提供了一款基礎性平台，助其打造靈活應變的特定領域架構。
Versal ACAP 可在廣泛市場和應用中打造未來產品：數據中心互聯、存儲與計算加速、從邊緣到雲端的 AI 加速、5G 無線、有線應用、自動駕駛、航空航天以及眾多其他市場。
系統級性能
Versal 架構並非傳統 FPGA 架構。自誕生以來，其宗旨始終是提供比增量架構結果質量（ QoR ）性能更高的系統級性能。具體而言， 賽靈思的目標是較之上一代和替代性可編程邏輯架構高達 5 倍的系統級性能。
Versal 架構解決了三大挑戰：
> 系統級單位功耗性能
> 高能效計算與數據遷移功能
> 可編程邏輯中的金屬縮放限制
以往的 FPGA 基準測試完全基於架構的 QoR。而且部分由於金屬時延帶來的問題，今天的可編程邏輯架構在性能上與前幾代相比提高不多。下圖所示的是 24 個 RTL 設計的綜合 Geomean FMAX 性能，將賽靈思上一代 Virtex® UltraScale+™ FPGA 與英特爾 Agilex 器件的架構性能進行比較
軟體可編程架構
為滿足不斷演進發展的需求，Versal 架構也提供了軟件可編程平台。綜合全面的軟體開發堆棧有助於充分發揮 Versal ACAP 的全部功能。
- 硬體開發者：
Vivado 設計套件。 Vivado 工具採用最新的 ML 算法，在實現一流的 QoR 的同時，為 IP 集成和可編程 NoC
配置提供了完整的 IP 接口。
- 軟體及AI 開發者:
Vitis 統一軟體平台。 Vitis 工具依托約 1,000 個硬體/AI 引擎加速開源庫，使用 C/C++ 和 Python 提供完整的
軟體編程抽象。對於 AI 開發者，Vitis AI 直接支持 TensorFlow 和 Pytorch 等 ML 框架，便於量化和編譯受訓
模型，而且僅用幾分鐘就能在預構建的 AI 加速疊加 IP 上運行。
將 Versal 架構結合 Vivado、Vitis/Vitis AI 以及賽靈思一直以來的可編程能力和靈活應變能力，能夠為眾多突破性產品奠定基礎。
Versal ACAP 與同類 FPGA 對比
- 基於 CNN 的圖像檢測 2.7-8.2倍單位功耗性能
在眾多應用領域，運用機器學習技術已成為普遍現象。事實上，很難找到一個還沒有被機器學習轉變的行業。
為了展示在 Versal ACAP 上實現的推斷吞吐量性能，賽靈思用 ML Perf Data Center Inference v1.0 測量了基準測試的結果。搭載在賽靈思 VCK5000 型 AI 推斷開發卡上的 VC1902 是賽靈思 Versal AI Core 系列的首款器件，在多種硬體可編程平台上運行 ResNet50 v1.5 圖像檢測基準測試時，均表現出行業領先性能。
- 5G 無線波束成形 2.14倍單位功耗性能
大規模 MIMO 無線電是全球 5G 商業部署的主要組成部分。為支持波束成形，5G NR 中定義了物理和更高層的流程和控制信令。Versal 架構提供的自適應計算靈活性和性能，能夠滿足難度大且不斷演進的 5G NR 設計要求。由乘法器、存儲器和互聯構成的傳統 FPGA 架構相比，Versal AI 引擎技術既提高了所需的計算密度，又降低了功耗。
下圖所示的是在 Versal AI Core VC1902 量產 ACAP 上運行的無線 5G 應用的預測性能，與同類可編程器件的預測性能的對比。
- 網絡加速 可提供大於 16W 的功率裕度
在雲端提供商和企業數據中心中，從 CPU 卸載各類關鍵應用的需求存越來越強烈，特別是圍繞網絡加速領域。新一類硬體加速器已在市場上興起，作用是幫助卸載高 CPU 佔用的應用處理。
賽靈思網絡加速器通過卸載計算密集型網絡進程，不但顯著增強了對 CPU 的有效利用，還可提供可擴展的組合式數據平面編程能力。新通過添加硬化 IP 等大量基礎功能，Versal 架構在有利於網絡加速器應用的同時，支持定制數據平面處理。
下圖所示是運行在 Versal 器件上的網絡加速器應用與同類可編程器件的預測功耗比較。與同類產品相比，使用功耗 75W 的 PCIe 卡承載 Versal 架構功能時能留出 16W 的功率裕度。
- DCI 橋接和傳輸
2.2倍單位功耗性能
隨著數據中心向 400G 和最終的 800G 發展，數據中心互聯（ DCI ）設備將繼續向靈活性提出需求。這些網絡負載不斷增長，要求路由器/交換機晶片採用最新的 SerDes 速率（5G 到 112G），從而實現全密度運行，為 DCI 橋接和傳輸功能提供支持。此外，為防止基礎設施設備遭遇頻繁的網絡攻擊，也經常需要具備在線加密/解密等安全功能。
賽靈思 Versal ACAP SmartPHY 解決方案能夠連接高達 2.4Tb/s 的傳輸/網絡接口，直接對接光通信，並在單個器件中集成最高 1.6Tb/s 的全雙工加密。這是目前業界最高的單器件密度，能幫助 OEM 系統提供商開發差異化產品。
下圖所示的是等效 DCI 橋接設計中的 Versal 器件的功耗估算與同類可編程器件的預測性能對比。
Versal ACAP 是一類全新的產品，功能和異構集成度均得到顯著改善。通過在 Versal 架構（如 AI 引擎、NoC、100G MRMAC、600G DCMAC、400G 高速加密引擎和 600G Interlaken）內硬化大量基礎 IP， Versal ACAP 相對於同類 FPGA 擁有壓倒性的性能和單位功耗性能優勢，可為多種類型的應用大幅提升系統級性能。
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