מהם מעבדי SoC Versal של AMD וכיצד פועלות הסדרות השונות שלהם?

PCHardwarePro » Windows » מהם מעבדי SoC Versal של AMD וכיצד פועלות הסדרות השונות שלהם?

אם אתם עובדים בעולם החומרה המשובצת, הבינה המלאכותית או עיבוד אותות, בוודאי שמעתם על ה... SoC אדפטיבי Versal של AMDאלו לא רק FPGA או מעבדים פשוטים: אלו פלטפורמות מחשוב הטרוגניות שלמות שנועדו לעבור מהענן לקצה, ואפילו לחלל. במאמר זה, נבחן מקרוב מהן, כיצד הן מאורגנות בסדרות (RF, AI Edge, Prime, Space XQR), ואילו כלי פיתוח מציעה AMD.

הרעיון הוא שעד שתסיימו לקרוא, תהיה לכם הבנה ברורה של למה משמשים מעבדי SoC של Versal, ומה מייחד אותם? וכיצד לתכנן מערכות מורכבות באמצעות Vivado, Vitis וכל המערכת האקולוגית הנלווית. תראו שזה לא רק שיווק: מאחורי הכל עומדת ארכיטקטורה מחושבת היטב להאצת בינה מלאכותית, וידאו, בקרה, DSP מתקדם ויישומי RF תובעניים.

מהו AMD Versal SoC ומדוע הוא נקרא "אדפטיבי"?

SoC Versal של AMD הוא, במהותו, ארכיטקטורת מחשוב הטרוגנית הניתנת לתכנות מלאה באמצעות תוכנה הוא משלב מספר סוגים של מנועי מחשוב וכמות גדולה של IP בכונן הקשיח על שבב יחיד. זה לא רק FPGA עם מעבד משובץ, אלא פלטפורמה שבה מתקיימים הדברים הבאים:

• מערכת עיבוד המבוססת על ליבות Arm בעלות ביצועים גבוהים.
• לוגיקה ניתנת לתכנות (PL) מסוג FPGA ליישום חומרה מותאמת אישית.
• מנועי בינה מלאכותית (AI Engines / AIE-ML) מותאמים לעומסי עבודה של הסקה ו-DSP אינטנסיבי.
• רשת-על-שבב (NoC) ניתנת לתכנות להעברת נתונים במהירות גבוהה ועם השהייה נמוכה.
• בלוקי IP קשיחים ספציפיים: DSP, ממשקי זיכרון, PCIe, Ethernet, RF-ADC/RF-DAC וכו'.

המילה "אדפטיבי" נובעת מהעובדה שכל מערך המשאבים הזה תוכנן כך שתוכלו להגדיר מחדש את המכשיר ברמת החומרה והתוכנה בהתאם לצרכים של כל יישום: ממערכת בקרה קלאסית ועד למאיץ בינה מלאכותית קצה, הכולל מקלטי RF בפס רחב או מטעדי לוויינים.

בתוך תיק מוצרי Versal, AMD מציעה מכשירים לשימוש כללי ואחרים בעלי יכולות מיוחדותבין היכולות המיוחדות הללו נמנים מנועי בינה מלאכותית משופרים עבור DSP ולמידת מכונה, בלוקי RF-ADC/RF-DAC משולבים, IP DSP קשיח מורחב, ואפילו זיכרון ברוחב פס גבוה להעברת כמויות אדירות של נתונים.

כל זה נתמך על ידי תהליך עבודה עיצובי מלוטש במיוחד והגרסאות העדכניות ביותר של כלי Vivado, המאפשרות גם... להפוך חלק גדול מהעיצוב לאוטומטי כיצד להעניק למשתמש שליטה עדינה בנקודות קריטיות, תוך השגת ביצועים תחרותיים מאוד לוואט.

אבני הבניין העיקריות של ארכיטקטורת SoC אדפטיבית Versal

כדי להבין באופן מלא מהם מעבדי SoC Versal של AMD, כדאי לנתח אותם. אבני הבניין העיקריות, כפי שנלמד בקורסי הכשרה טכנית כגון קורס VERSAL-ADM ב-UPV:

בצד אחד נמצא ה לוגיקה ניתנת לתכנות (PL), צאצא ישיר של מסורת ה-FPGA של AMD (Xilinx). כאן מיושמים מאיצים מותאמים אישית, ממשקים ספציפיים, צינורות עיבוד וכל מיני לוגיקה מותאמת אישית שאינה מתאימה היטב לתוכנה טהורה.

לב הבקרה מגיע מ מערכת עיבוד (CIPS או PS), המשלבת ליבות Arm בעלות ביצועים גבוהים (כגון Cortex-A78AE ו-Cortex-R52 בדורות האחרונים), כמו גם בקרי זיכרון, ציוד היקפי סטנדרטי, אבטחה משולבת ובדגמים מסוימים, מעבדים גרפיים של Arm Mali לניהול צגים וממשקים גרפיים.

ل מנועים חכמים או מנועי בינה מלאכותית (AIE/AIE-ML) הם מספקים את רכיבי המחשוב הווקטורי והבינה המלאכותית. בלוקים אלה נועדו לטפל בפעולות DSP ואלגוריתמי למידה עמוקה ביעילות אנרגטית גבוהה מאוד, תוך תמיכה בפורמטי נתונים אופטימליים (בדור השני, סוגי MX6 מוזכרים ב-AIE-ML v2 כדי למקסם את הביצועים לוואט).

La רשת על שבב (NoC) ניתנת לתכנות הוא משמש ככביש מהיר של נתונים, המחבר זיכרון, מנועי מחשוב, לוגיקה ניתנת לתכנות וציוד היקפי במהירות גבוהה. תכנון טוב ב-Versal כרוך במיפוי תעבורה על פני ה-NoC הזה, איזון רוחב פס, השהייה וסדרי עדיפויות.

התמונה מושלמת על ידי סוללה שלמה של פתרונות זיכרון וממשק מהדור הבא (DDR5, LPDDR5X, זיכרון ברוחב פס גבוה בדגמים מסוימים), כמו גם משדרי-מקלט טוריים מרובי ג'יגה-ביט, בלוקי PCI Express במהירות גבוהה ו-Ethernet עד 100G, בין היתר.

סביבות פיתוח: Vivado ופלטפורמת Vitis המאוחדת

העוצמה של SoC Versal מועילה מעט מאוד ללא מערכת אקולוגית תומכת לפיתוח. AMD מציעה סביבות תוכנה וחומרה שלמות מאוד כך שמתכננים מכל הסוגים יוכלו להתמודד עם פרויקטים עם מעבדי SoC ו-FPGA הניתנים להתאמה מבלי ללכת לאיבוד בפרטים ברמה נמוכה אלא אם כן יש צורך בכך.

חבילת העיצוב Vivado לעיצוב חומרה

AMD Vivado Design Suite היא תוכנת הייחוס עבור תכנון חומרה ב-SoCs ו-FPGAs גמישיםזה מאפשר את הקלט של העיצוב (ב-HDL או באמצעות כלים גרפיים), את הסינתזה, את המיקום והמסלול, ואת כל תהליך האימות והסימולציה.

Vivado מקבלת שפות HDL מסורתיות כ- VHDL ו-Verilogהוא כולל גם כלי גרפי המבוסס על ממשק משתמש מסוג IPI המאפשר שילוב IP מסוג "plug-and-play". זה מאיץ את בנייתן של מערכות מורכבות מבלי שיהיה צורך לחווט הכל באופן ידני.

אחת מיתרונותיה של Vivado היא שהיא מציעה מימוש סינתטי ורמה עליונה עבור התקנים מורכבים ביותר, עם עזרים ספציפיים לסגירת תזמון ומתודולוגיות תכנון חזקות. קו ה-Versal הציג שיפורים משמעותיים בזמני הקומפילציה, מספר איטרציות התכנון ודיוק חישוב ההספק.

פלטפורמת התוכנה המאוחדת של AMD Vitis

בעוד ש-Vivado מתמקדת בחומרה, פלטפורמת AMD Vitis מטפלת ב... איחוד פיתוח תוכנה והאצה על גבי SoCs ו-FPGAsVitis עובד בשיתוף פעולה עם Vivado כדי להציע רמת הפשטה גבוהה יותר מאשר RTL קלאסי.

בעזרת Vitis תוכלו ליצור עיצובים שמשתלבים מבני FPGA, תת-מערכות מעבדי Arm ומנועי AIתכנות ב-C/C++, OpenCL, או שפות אחרות ברמה גבוהה. Vitis עצמה מטפלת ביצירת ליבות מואצות, ניהול תקשורת עם ה-PS ואופטימיזציה של הפריסה על משאבי Versal.

Vitis AI להסקת בינה מלאכותית

בהתבסס על Vitis, AMD מציעה את Vitis AI, הפתרון המקיף שלה עבור פיתוח הסקות בינה מלאכותית על מכשירי AMDפלטפורמה זו כוללת מודלים מאומנים מראש, ליבות NPU ממוטבות, ספריות, כלים ועיצובי דוגמאות הן עבור הקצה והן עבור מרכז הנתונים.

Vitis AI מתוכנן עם מטרה כפולה: יעילות גבוהה וקלות שימושהתוצאה היא שמפתחים יכולים לנצל באופן מלא מנועי בינה מלאכותית במעבדי SoC של Versal או במחשבים אישיים עם טכנולוגיית AMD Ryzen AI מבלי להמציא את הגלגל מחדש בכל פרויקט.

Vitis HLS ו-Vitis Model Composer

כלי Vitis HLS מאפשר לך לתכנן אלגוריתמים מורכבים עבור FPGAs מקוד C/C++זה מייצר אוטומטית את ה-RTL. זה משולב באופן הדוק עם Vivado (לסינתזה, מקום ונתיב) ועם פלטפורמת Vitis עצמה לפיתוח מערכות הטרוגניות.

מצד שני, Vitis Model Composer נותן את האפשרות לעבוד בצורה מבוסס על מודלים בתוך MATLAB ו-Simulinkכלי זה, המתכנן אלגוריתמי DSP עם בלוקים ברמה גבוהה וביצועים אופטימליים, מאיץ את המסלול לייצור על ידי יצירה אוטומטית של קוד עבור התקני AMD.

בשני המקרים, המטרה זהה: להפחית את זמן הפיתוח ולהגדיל את הפרודוקטיביותהמאפשרים לפרופילים שונים מאוד - החל ממדעני בינה מלאכותית ועד מהנדסי חומרה "קלאסיים" - לשתף פעולה באותה פלטפורמה.

סדרת AMD Versal RF: מעבד SoC בעל ביצועים גבוהים בתדר רדיו

בתוך משפחת ורסאל, ה סדרת RF של Versal הוא מכוון למערכות תדר רדיו וציוד בדיקה מתקדם. AMD מציגה אותו כדור החמישי של התקני RF ישירים, ובמקביל, הראשון שמשלב אותם ב-SoC יחיד:

• ממירי נתוני RF ברזולוציה גבוהה עם דגימה ישירה.
• בלוקי מחשוב DSP מבוססי IP בצפיפות גבוהה מבוססי חומרה.
• מנועי בינה מלאכותית המיועדים לעיבוד אינטנסיבי של אותות דיגיטליים.

ההבטחה של AMD עם סדרה זו היא להציע את ביצועי מחשוב גבוהים יותר על שבב יחיד עבור יישומים מסוג זה, תוך שמירה על גודל, משקל והספק אופטימליים (ה-SWaP המפורסם). לדברי החברה, Versal RF משיגה ביצועים של עד 80 TOPS בעיבוד אותות דיגיטליים.

סליל ראג', סגן נשיא בכיר ומנהל כללי של קבוצת המחשוב האדפטיבי והמשובץ של AMD, מסביר שמערכות RF מודרניות זקוקות ממירי נתונים ברזולוציה גבוהה וקצב דגימה גבוהזה מגדיל משמעותית את צריכת משאבי ה-DSP. Versal RF עונה על אתגר זה על ידי ריכוז קיבולת DSP גדולה יותר ב-SoC יחיד מאשר מספר מכשירים יחד, בנוסף לאספקת מנועי בינה מלאכותית ייעודיים.

ניטור מדויק של ספקטרום פס רחב

אחת היכולות הבולטות ביותר של סדרת Versal RF היא היכולת שלה ל ללכוד ולנתח ספקטרום פס רחב במקביל הודות לממירי RF רב-ערוציים ברזולוציה גבוהה, עם כיול של 14 סיביות.

במספרים, מערכות על-שבב אלו מסוגלות להציע עד 32 גיגה-דגימות לשנייה (GSPS) בתדר של 18 גיגה-הרץזה מאפשר אפיון ומחקר של אותות בצורה מדויקת, מהירה וגמישה ביותר. זה שימושי במיוחד בפעולות ספקטרום אלקטרומגנטי, מודיעין אותות ותקשורת צבאית או לוויינית.

מכשיר מותאם במיוחד עבור SWaP

רעיון מרכזי נוסף ב-Versal RF הוא אופטימיזציה של SWaP: גודל, משקל ועוצמהעל ידי שילוב ממירי RF של דגימה ישירה, בלוקי DSP של IP קשיחים, מנועי בינה מלאכותית ולוגיקה ניתנת לתכנות על אותו שבב, מספר הרכיבים וצריכת החשמל הכוללת של המערכת מופחתים משמעותית.

לפי AMD, פונקציות ה-DSP המיושמות כ-IP קשיח מאפשרות לחסוך באנרגיה ולהגדיל את קיבולת המחשובזה קריטי כאשר גורם הצורה מוגבל, כמו במקרה של פלטפורמות חלל, ציוד ביטחוני או מכשירי בדיקה ומדידה ניידים.

כלי פיתוח עבור סדרת Versal RF זמינים כעת, ו-AMD הכריזה על מפת הדרכים שלה: דגימות סיליקון וערכות הערכה מתוכננות לרבעון הרביעי של 2025, כאשר משלוחי הייצור צפויים במחצית הראשונה של 2027.

סדרות AMD Versal AI Edge Gen 2 ו-Versal Prime Gen 2

AMD גם מקדמת בחוזקה את הסדרה Versal AI Edge דור 2 ו-Versal Prime דור 2הטכנולוגיה שלהם, שתוכננה עבור יישומי בינה מלאכותית משובצים ויישומי בינה מלאכותית מהדור הבא, היא לספק, על שבב יחיד, את כל מה שדרוש להאצת מחשוב מקצה לקצה בתחומי הבינה המלאכותית, וידאו ובקרה.

מערכות על-שבב (SoCs) אלו נועדו לכסות את שלושה שלבים קלאסיים של חישוב עם בינה מלאכותית משולבת: עיבוד מקדים, הסקה ועיבוד לאחר מכן, תוך דאגה לביצועים ולצריכה בכל אחד מהם.

1. עיבוד מקדים של נתוני חיישן

בשלב העיבוד המקדים, הם אחראים על עיבוד מידע מחיישניםמיזוג נתונים וטיפול מוקדם לצורך הסקה. בדור השני, צינור העיבוד שופר משמעותית עם השהייה נמוכה, תוך מינוף משאבי לוגיקה ניתנת לתכנות ומחשוב לגמישות רבה יותר.

2. הסקה של בינה מלאכותית עם ארכיטקטורה מסוג פסיפס

חלק ההסקה של בינה מלאכותית מסתמך על ארכיטקטורת פסיפס עם AIE-ML גרסה 2מסוגל לטפל בסוגי נתונים של MX6 שנועדו למקסם את יחס TOPS/וואט. AMD טוענת לעד פי שלושה יותר TOPS לוואט בהשוואה לדור הראשון של Versal, דבר קריטי עבור מערכות משובצות שבהן צריכת החשמל נשלטת בקפידה.

3. עיבוד לאחר עיבוד ובקרה מתקדמת

בעיבוד שלאחר מכן, מערכות על-שבב אלו מאפשרות ביצוע של אלגוריתמי בקרה וקבלת החלטות מורכבים מבוסס על קבוצה של ליבות מעבד מתקדמות. כאן, AMD מצביעה על שיפורים של עד פי 10 במחשוב סקלרי בהשוואה לדור הראשון, מה שמקל על יישום לוגיקת החלטות מתוחכמת ושילוב עם תת-מערכות אחרות.

תצורת המעבד והציוד ההיקפי ב-Versal AI Edge Gen 2

מעבדי ה-SoC של Versal AI מדור 2 כוללים תצורת מעבד מקיפה למדי, שעשויה לכלול:

• מנועים ייעודיים להאצת עומסי עבודה של בינה מלאכותית לגבי מנועי בינה מלאכותית.
• מערכת עיבוד (PS) עם עד 8 ליבות Cortex-A78AE עבור יישומים ברמה גבוהה.
• עד 10 ליבות Cortex-R52 המכוונות למשימות בזמן אמת ובטיחות פונקציונלית.
• כרטיס מסך Arm Mali-G78AE לטיפול בצגים וגרפיקה.
• בקרי זיכרון עם תמיכה ב-DDR5 ו-LPDDR5X.
• מודול בטיחות משולב עם תמיכה ב-ASIL D, SIL 3 והפעלה בטוחה עם הגנה פוסט-קוונטית.
• מעבד אותות תמונה (ISP) משולב ובלוקי קידוד/פענוח וידאו.
• מטריצת לוגיקה ניתנת לתכנות ליישום פונקציות מותאמות אישית.
• ממשקי קלט/פלט בעלי ביצועים גבוהים: PCIe Gen 5, ‏100G Ethernet, קלט/פלט ניתנים לתכנות ומשדרים טוריים.

עם שילוב זה, AMD שואפת למצב את Versal כ מתחרה חזק מאוד בתחום המשובץ המתמקד בבינה מלאכותיתלמרות ש-NVIDIA נותרה בחזית התחום בתחום הבינה המלאכותית של מרכזי נתונים, בתחומי הבינה המלאכותית המשובצת והקצה, האסטרטגיה של AMD עם Versal, Vitis AI ושילוב Ryzen AI במחשבים אישיים מחזקת את מעמדה מול אינטל ושחקנים אחרים.

Versal XQR: שבבי על-שבב אדפטיביים עבור יישומי חלל

גרסה מעניינת במיוחד היא ה- סדרת Versal XQRמכשירים אלה, שתוכננו עבור מגזר החלל, מביאים את הפילוסופיה של מערכות על-שבב אדפטיביות בעלות ביצועים גבוהים במיוחד לסביבת לוויינים ומשימות חלל, שבהן יכולת תצורה מחדש ואמינות הן קריטיות.

ה-Versal XQR מוסיף יכולות למידת מכונה ורוחב פס גבוה במיוחד מותאמים ליישומי עיבוד מטען במסלול, הם מגדילים באופן דרמטי את מספר תאי הלוגיקה הזמינים, את ה-SRAM המשולב ואת רוחב הפס של המשדר-מקלט מרובי ג'יגה-ביט.

בזכות שילוב זה, הם מאפשרים הטמעת אלגוריתמים מבוססי וקטורים ועיבוד אותות במהירות גבוהה ישירות בחלל, מה שמאפשר זמן לעדכן או להגדיר מחדש את פונקציונליות המטען כאשר הלוויין כבר פרוס, דבר קריטי במשימות ארוכות טווח.

בהתבסס על ניסיונה הקודם של AMD בטכנולוגיית חלל, סדרת Versal XQR ממוקמת כ... סטנדרט חדש של פתרונות הניתנים להגדרה מחדש במסלולתמיכה במספר צמתי עיבוד ופתיחת הדלת למערכות גמישות ועמידות יותר.

מתודולוגיות עיצוב והכשרה ייעודית: דוגמה לקורס VERSAL-ADM

כדי לנצל את כל הטכנולוגיה הזו, אתם צריכים מתודולוגיית עיצוב מוצקה והכשרה ספציפיתדוגמה טובה לכך היא קורס VERSAL-ADM - "תכנון עם מערכות על-שוב אדפטיביות של Versal: אדריכלות ומתודולוגיות עיצוב", הנלמד באוניברסיטה הפוליטכנית של ולנסיה (UPV).

קורס זה הוא חלק מ- נתיב הנדסת SoC אדפטיבי Versal, מסלול הכשרה מתקדם המכסה את מערכת הפיתוח של Versal, החל מארכיטקטורה בסיסית ועד לתכנון של יישומים הטרוגניים מתקדמים, כולל האצה עם מנועי בינה מלאכותית ועיבוד אותות דיגיטליים.

ההכשרה מתמקדת ברכישת התלמידים הבנה מקיפה של בלוקי הארכיטקטורה של VersalPL, קלט/פלט במהירות גבוהה, ארכיטקטורות שעון, מערכת עיבוד CIPS, מנועים חכמים AIE ו-NoC ניתן לתכנות.

לאורך הקורס, השימוש ב- טכנולוגיות וממשקים של זיכרון מהדור הבא כדי לספק האצה הטרוגנית בעלת ביצועים גבוהים על פני יישומים מרובים. כמו כן, הוא מתעמק במיפוי וחלוקת יישומים, סגירת תכנון ופתרונות הספק ותרמיים כדי לייעל את הביצועים הכוללים.

מטרות ספציפיות כוללות:

• סקור את הארכיטקטורה של ה-SoC האדפטיבי Versal בפירוט.
• תאר את מנועי המחשוב הזמינים ואת המשאבים שהם משלבים.
• הסבר את הארכיטקטורה של ה-NoC ומנוע הבינה המלאכותית (AIE – AI Engines).
• סיכום פתרונות זיכרון של התקנים וממשקי תכנות.
• זיהוי פתרונות PCIe ומקלטים-משדרים טוריים משולבים.
• הדגמת זרימת עבודה של פיתוח תוכנה משובצת ואת מנוע הבינה המלאכותית.
• יישום כלים ומתודולוגיות ליצירת מערכות מורכבות.
• השתמש במנהל עיצוב החשמל כדי להעריך את הצריכה.
• הפעל תהליכי הגדרת תצורה וניפוי שגיאות של המכשיר.
• שפר את ביצועי מערכת Versal ובחר פתרונות מתח ותרמיים מתאימים.
• ביצוע סימולציות וניפוי שגיאות ברמת המערכת.

קהל היעד כולל מפתחי תוכנה וחומרה, אדריכלי מערכות, מעצבי DSP וכל איש מקצוע שצריך להבין את הפוטנציאל של מערכות על-שוב אדפטיביות של Versal ומתודולוגיות התכנון הנלוות.

כדרישות קדם, מומלץ ידע ב-FPGAs ו-SoCs של AMD, כמו גם ניסיון בסיסי עם כלי Vivado ו-Vitis. בנוגע לכלים וחומרה, ייעשה שימוש בפריטים הבאים: פטה לינוקס (גרסה 2025.1) ופלטפורמות הערכה כגון Versal VCK190 או VEK280.

הקורס, במימון הקתדרה הבינלאומית לעיצוב מיקרואלקטרוני ע"ש UPV-VaSiC ותוכנית Chip Chairs, הנתמכת על ידי משרד הטרנספורמציה הדיגיטלית והאיחוד האירופי - NextGenerationEU, מראה עד כמה AMD והסביבה האקדמית דוחפות ליצור בסיס איתן של מהנדסים המתמחים ב-Versal.

יחד, מעבדי ה-SoC האדפטיביים Versal של AMD יוצרים משפחה רחבה מאוד המכסה הכל, החל מהענן ועד לקצה, כולל מערכות RF, יישומי חלל ופלטפורמות משובצות עתירות בינה מלאכותית. בין העוצמה של... ארכיטקטורה הטרוגניתהסדרות הייעודיות השונות (RF, AI Edge, Prime, XQR) והמערכת האקולוגית של כלים והדרכות (Vivado, Vitis, Vitis AI, HLS, Model Composer, קורסים כמו VERSAL-ADM) הופכים אותו לאופציה רצינית מאוד עבור כל מי שצריך להפיק את המרב מביצועים לוואט וגמישות שינוי תצורה בפרויקטים מתקדמים של מחשוב, תקשורת או בקרה.