- AMD VersalアダプティブSoCは、Arm製CPU、プログラマブルロジック、AIエンジン、およびNoCを、非常に柔軟性の高いヘテロジニアスアーキテクチャに統合しています。
- Vivadoと統合プラットフォームであるVitis（Vitis AI、HLS、Model Composerを含む）は、Versalデバイス上でのハードウェア、ソフトウェア、AIの設計を簡素化します。
- Versal RF、AI Edge Gen 2、Prime Gen 2、およびXQR Spaceシリーズは、ブロードバンドRFおよびAI組み込みシステムから衛星ペイロードまで、幅広い用途に対応します。
- VERSAL-ADMなどの高度な設計手法とトレーニングプログラムにより、これらのSoCのワットあたりの性能と再構成可能性を最大限に高めることができます。
組み込みハードウェア、AI、または信号処理の世界で働いているなら、きっと聞いたことがあるでしょう AMD VersalアダプティブSoCこれらは単なるFPGAや単純なプロセッサではありません。クラウドからエッジ、さらには宇宙空間まで対応できるように設計された、完全なヘテロジニアス・コンピューティング・プラットフォームです。この記事では、これらのプラットフォームの概要、RF、AI Edge、Prime、Space XQRといったシリーズ構成、そしてAMDが提供する開発ツールについて詳しく見ていきます。
読み終える頃には、以下のことが明確に理解できるようになっているはずです。 Versal SoCは何に使われるのですか？また、他のSoCと何が違うのですか？ Vivado、Vitis、そして関連するエコシステム全体を用いて複雑なシステムを設計する方法についても解説します。単なるマーケティングではなく、AI、ビデオ、制御、ハイエンドDSP、そして要求の厳しいRFアプリケーションを高速化するための、綿密に設計されたアーキテクチャがその根底にあることがお分かりいただけるでしょう。
AMD Versal SoCとは何ですか？また、なぜ「アダプティブ」と呼ばれるのですか？
AMD Versal SoCは、本質的には 完全にソフトウェアでプログラム可能な異種混在コンピューティングアーキテクチャ これは、複数の種類の演算エンジンと大量のハードドライブIPを1つのチップに統合したものです。単なる組み込みプロセッサを搭載したFPGAではなく、以下の要素が共存するプラットフォームです。
- 高性能Armコアをベースとした処理システム。
- カスタムハードウェアを実装するためのFPGA型プログラマブルロジック（PL）。
- 推論ワークロードと高負荷DSP向けに最適化されたAIエンジン（AIエンジン／AIE-ML）。
- 高速かつ低遅延でデータを転送するための、プログラマブルなネットワーク・オン・チップ（NoC）。
- 特定のハードIPブロック：DSP、メモリインターフェース、PCIe、イーサネット、RF-ADC/RF-DACなど。
「適応型」という言葉は、このリソースセット全体が、 デバイスをハードウェアおよびソフトウェアレベルで再構成する 各アプリケーションのニーズに応じて、従来の制御システムから、広帯域RF受信機や衛星ペイロードを含むエッジAIアクセラレータまで、幅広い用途に対応します。
Versalポートフォリオの中で、AMDは 汎用デバイスと、特殊な機能を備えたその他のデバイスこれらの特別な機能には、DSPおよび機械学習向けの強化されたAIエンジン、統合されたRF-ADC/RF-DACブロック、拡張されたハードウェアDSP IP、さらには大量のデータを転送するための高帯域幅メモリなどが含まれます。
これらすべては、高度に洗練された設計ワークフローと最新バージョンのVivadoツールによって支えられており、 設計の大部分を自動化する 重要な局面でユーザーにきめ細かな制御を提供し、ワットあたりの非常に優れた性能を実現する方法。
Versal Adaptive SoCアーキテクチャの主要構成要素
AMD Versal SoCがどのようなものかを完全に理解するには、その構成要素を分解することが役立ちます。 主要な構成要素UPVのVERSAL-ADMコースなどの技術研修コースで研究されているように：
片側には、 プログラマブルロジック（PL）これは、AMDのFPGAの伝統（ザイリンクス）を直接受け継ぐものです。ここでは、カスタムアクセラレータ、特定のインターフェース、処理パイプライン、そして純粋なソフトウェアではうまく実装できないあらゆる種類のカスタムロジックが実装されます。
コントロールハートは 処理システム（CIPSまたはPS）これは、高性能なArmコア（最新世代ではCortex-A78AEやCortex-R52など）に加え、メモリコントローラ、標準的な周辺機器、統合セキュリティ、そして一部のモデルではディスプレイやグラフィカルインターフェースを管理するためのArm Mali GPUを統合しています。
たくさん インテリジェントエンジンまたはAIエンジン（AIE/AIE-ML） これらはベクトル演算とAIコンポーネントを提供します。これらのブロックは、非常に高いエネルギー効率でDSP演算と深層学習アルゴリズムを処理するように設計されており、最適化されたデータ形式をサポートしています（第2世代では、ワットあたりのパフォーマンスを最大化するためにMX6タイプがAIE-ML v2で言及されています）。
La プログラマブル・ネットワーク・オン・チップ（NoC） これはデータハイウェイとして機能し、メモリ、演算エンジン、プログラマブルロジック、高速周辺機器を接続します。Versal上での優れた設計には、このNoC全体にトラフィックをマッピングし、帯域幅、レイテンシ、および優先順位のバランスを取ることが含まれます。
写真は、 次世代メモリおよびインターフェースソリューション （DDR5、LPDDR5X、一部モデルでは高帯域幅メモリ）に加え、マルチギガビットシリアルトランシーバー、高速PCI Expressブロック、最大100Gのイーサネットなど、その他のインターフェースも搭載。
開発環境：Vivadoと統合プラットフォームVitis
Versal SoCのパワーも、それを支える開発エコシステムがなければほとんど役に立たない。AMDは、 非常に充実したソフトウェアおよびハードウェア環境 これにより、あらゆる種類の設計者が、必要でない限り低レベルの詳細に迷うことなく、適応性の高いSoCやFPGAを用いたプロジェクトに取り組むことができるようになります。
ハードウェア設計のためのVivado Design Suite
AMD Vivado Design Suite は、 適応型SoCおよびFPGAにおけるハードウェア設計これにより、設計の入力（HDLまたはグラフィカルツールによる）、合成、配置と配線、そして検証とシミュレーションの全プロセスが可能になります。
Vivado は従来の HDL 言語を受け入れます VHDLとVerilogまた、IPIタイプのユーザーインターフェースに基づいたグラフィカルツールも搭載されており、プラグアンドプレイによるIP統合を容易にします。これにより、複雑なシステムの構築を、すべてを手動で配線する必要なく、迅速に行うことができます。
Vivadoの強みの一つは、 合成およびトップレベルの実装 高度な複雑性を持つデバイス向けに、タイミングクロージャのための専用支援機能と堅牢な設計手法を提供します。Versalシリーズは、コンパイル時間、設計反復回数、電力計算精度において大幅な改善を実現しました。
AMD Vitis統合ソフトウェアプラットフォーム
Vivadoはハードウェアに焦点を当てていますが、AMD Vitisプラットフォームは SoCとFPGA上でのソフトウェア開発と高速化を統合するVitisはVivadoと連携して動作し、従来のRTLよりも高いレベルの抽象化を提供します。
Vitisを使えば、調和のとれたデザインを作成できます FPGA構造、Armプロセッササブシステム、およびAIエンジンC/C++、OpenCL、またはその他の高水準言語によるプログラミング。Vitis自体が、高速カーネルの生成、PSとの通信管理、Versalリソースへのデプロイメントの最適化を処理します。
人工知能推論のためのVitis AI
Vitis をベースに、AMD は包括的なソリューションである Vitis AI を提供しています。 AMDデバイス上でのAI推論開発このプラットフォームには、事前学習済みモデル、最適化されたNPUコア、ライブラリ、ツール、およびエッジ環境とデータセンターの両方に対応したサンプル設計が含まれています。
Vitis AIは、以下の2つの目的を持って設計されています。 高効率で使いやすいその結果、開発者は各プロジェクトでゼロから開発する必要なく、Versal SoCやAMD Ryzen AIテクノロジーを搭載したPCのAIエンジンを最大限に活用できるようになります。
Vitis HLSおよびVitis Model Composer
Vitis HLSツールを使用すると、設計できます。 FPGA向け複雑アルゴリズムをC/C++コードから生成するRTLを自動的に生成します。Vivado（合成、配置配線用）および異種システム開発用Vitisプラットフォーム自体と緊密に統合されています。
一方、Vitis Model Composerは、 MATLABおよびSimulink内のモデルに基づいていますこのツールは、高レベルのブロックと最適化されたパフォーマンスを備えたDSPアルゴリズムを設計することで、AMDデバイス向けのコードを自動生成し、製品化までの道のりを加速させます。
どちらの場合も、目的は同じです。 開発時間を短縮し、生産性を向上させるこれにより、AI研究者から「従来型」のハードウェアエンジニアまで、非常に異なる経歴を持つ人々が同じプラットフォーム上で共同作業を行うことが可能になります。
AMD Versal RFシリーズ：高性能無線周波数SoC
Versalファミリーの中では、 Versal RFシリーズ これは無線周波数システムおよび高度な試験装置向けに設計されています。AMDはこれを、同社にとって第5世代の直接RFデバイスであり、同時にそれらを単一のSoCに統合した初の製品であると発表しています。
- 直接サンプリング方式の高解像度RFデータコンバータ。
- 高密度ハードウェアベースおよびIPベースのDSP演算ブロック。
- デジタル信号の集中的な処理向けに設計されたAIエンジン。
AMDはこのシリーズで、 単一チップ上でより高い演算性能 これらの用途において、最適なサイズ、重量、消費電力（いわゆるSWaP）を維持しながら、Versal RFはデジタル信号処理において最大80 TOPSの性能を実現します。同社によれば、Versal RFはデジタル信号処理において最大80 TOPSの性能を発揮します。
AMDのアダプティブ＆エンベデッド・コンピューティング・グループの上級副社長兼ゼネラルマネージャーであるサリル・ラジェ氏は、現代のRFシステムには 高解像度・高サンプリングレートのデータコンバータこれにより、DSPリソースの消費量が大幅に増加します。Versal RFは、複数のデバイスを組み合わせた場合よりも多くのDSP容量を単一のSoCに集中させることで、この課題に対処します。さらに、専用のAIエンジンも提供します。
広帯域スペクトルの精密モニタリング
Versal RFシリーズの最も際立った機能の1つは、 広帯域スペクトルを並列に取得および分析する 高解像度マルチチャンネルRFコンバータと14ビットキャリブレーションのおかげです。
数値で表すと、これらのSoCは最大で 18GHzで毎秒32ギガサンプル（GSPS）これにより、信号の特性評価と研究を非常に高精度かつ迅速、柔軟な方法で行うことが可能になります。これは、電磁スペクトル運用、信号情報、軍事通信、衛星通信などの分野で特に有用です。
SWaP（サイズ、重量、電力）に最適化されたデバイス
Versal RFにおけるもう一つの重要なアイデアは、SWaP（サイズ、重量、電力）の最適化です。 サイズ、重量、パワー直接サンプリングRFコンバータ、ハードIP DSPブロック、AIエンジン、プログラマブルロジックを同一チップ上に統合することで、部品点数とシステム全体の消費電力を大幅に削減できます。
AMDによると、ハードIPとして実装されたDSP機能により エネルギーを節約し、コンピューティング能力を向上させるこれは、航空宇宙プラットフォーム、防衛機器、携帯型試験・計測機器など、形状が制限されている場合に特に重要となる。
Versal RFシリーズの開発ツールが利用可能になり、AMDはロードマップを発表しました。シリコンサンプルと評価キットは2025年第4四半期に提供開始予定で、量産出荷は2027年前半を目標としています。
AMD Versal AI Edge Gen 2およびVersal Prime Gen 2シリーズ
AMDもこのシリーズを積極的に推進している。 Versal AI Edge Gen 2 および Versal Prime Gen 2組み込みシステムや次世代AIアプリケーション向けに設計されたこれらのチップは、AI、ビデオ、制御におけるエンドツーエンドのコンピューティングを高速化するために必要なすべてを、単一のチップ上で提供することを目標としています。
これらのSoCは、 統合AIを用いた計算の3つの古典的な段階前処理、推論、後処理の各段階において、パフォーマンスと消費量を考慮します。
1. センサーデータの前処理
前処理段階では、彼らは以下の責任を負います。 センサーからの情報の処理推論のためのデータ融合と前処理。第2世代では、処理パイプラインが大幅に改善され、低遅延化が実現し、プログラマブルロジックとコンピューティングリソースの両方を活用することで、より高い柔軟性が確保されています。
2. モザイク型アーキテクチャによるAI推論
AIの推論部分は、 AIE-ML v2 を使用したモザイク型アーキテクチャTOPS/ワット比を最大化するように設計されたMX6データタイプを処理可能。AMDは、第1世代のVersalと比較して、1ワットあたりのTOPSが最大3倍向上したと主張しており、これは消費電力が厳密に管理される組み込みシステムにとって非常に重要である。
3. 後処理と高度な制御
後処理では、これらのSoCは、 複雑な制御および意思決定アルゴリズム 高度なCPUコア群をベースとしている。AMDは、第1世代と比較してスカラー演算性能が最大10倍向上し、高度な意思決定ロジックの実装や他のサブシステムとの統合が容易になったと指摘している。
Versal AI Edge Gen 2におけるCPUおよび周辺機器の構成
Versal AI Gen 2 SoCは、以下のようなかなり包括的なCPU構成を備えています。
- AIワークロードを高速化する専用エンジン AIエンジンについて。
- 高度なアプリケーション向けに、最大8個のCortex-A78AEコアを搭載した処理システム（PS）。
- リアルタイム処理と機能安全性に特化した、最大10個のCortex-R52コアを搭載。
- ディスプレイとグラフィックスの処理には、Arm Mali-G78AE GPUを使用します。
- DDR5およびLPDDR5Xに対応したメモリコントローラ。
- ASIL D、SIL 3、およびセーフスタートをサポートする統合安全モジュール 量子耐性付き。
- 画像信号プロセッサ（ISP）とビデオエンコード／デコードブロックを統合。
- カスタム機能を実装するためのプログラマブルロジックマトリックス。
- 高性能I/Oインターフェース：PCIe Gen 5、100Gイーサネット、プログラマブルI/O、シリアルトランシーバー。
この組み合わせにより、AMDはVersalを AIに特化した組み込み分野における非常に強力な競合企業データセンターAI分野ではNVIDIAが依然として圧倒的なリードを保っているものの、組み込みAIやエッジAIの分野では、AMDのVersal、Vitis AI、そしてRyzen AIのPCへの統合といった戦略が、Intelをはじめとする他社に対する自社の立場を強化している。
Versal XQR：宇宙用途向け適応型SoC
特に興味深いバリエーションの一つは Versal XQRシリーズ宇宙分野向けに設計されたこれらのデバイスは、再構成性と信頼性が極めて重要な衛星や宇宙ミッションの環境に、超高性能適応型SoCの理念をもたらします。
Versal XQRには 機械学習機能と非常に高い帯域幅 軌道上処理ペイロード用途向けに改良されたこれらの製品は、利用可能なロジックセル数、統合SRAM、およびマルチギガビットのトランシーバー帯域幅を劇的に増加させます。
この組み合わせのおかげで、 ベクトルベースのアルゴリズムと高速信号処理を実装する 宇宙空間で直接行うことで、既に展開された衛星上でペイロードの機能を更新または再構成する時間を確保でき、これは長期ミッションにおいて非常に重要なことである。
AMDの宇宙技術におけるこれまでの経験を基に、Versal XQRシリーズは 軌道上における再構成可能なソリューションの新たな標準複数の処理ノードをサポートし、より柔軟で耐久性の高いシステムへの道を開く。
設計手法と専門トレーニング：VERSAL-ADMコースの事例
このテクノロジーをすべて活用するには、 確固たる設計手法と専門的なトレーニング良い例としては、バレンシア工科大学（UPV）で開講されているVERSAL-ADMコース「Versal Adaptive SoCを用いた設計：アーキテクチャと設計手法」が挙げられる。
このコースは VersalアダプティブSoCエンジニアリングパスこれは、基本的なアーキテクチャから、AIエンジンやデジタル信号処理による高速化を含む高度な異種アプリケーションの設計まで、Versal開発エコシステムを網羅する段階的なトレーニングパスです。
このトレーニングは、学生が Versalアーキテクチャの構成要素を包括的に理解するPL、高速I/O、クロックアーキテクチャ、CIPS処理システム、AIEインテリジェントモーター、プログラマブルNoC。
コース全体を通して、 次世代メモリ技術とインターフェース 複数のアプリケーションにわたる高性能な異種アクセラレーションを実現します。また、アプリケーションのマッピングとパーティショニング、設計の最適化、電力および熱対策についても詳しく解説し、全体的なパフォーマンスの最適化を図ります。
具体的な目標は以下のとおりです。
- Versal Adaptive SoCのアーキテクチャを詳細に確認してください。
- 利用可能なコンピューティングエンジンと、それらが組み込んでいるリソースについて説明してください。
- NoCとAIエンジン（AIE – AIエンジン）のアーキテクチャについて説明してください。
- デバイスのメモリソリューションとプログラミングインターフェースについて要約してください。
- PCIeソリューションと統合型シリアルトランシーバーを特定する。
- 組み込みソフトウェア開発ワークフローとAIエンジンを実演する。
- 複雑なシステムを構築するために、ツールと手法を適用する。
- 消費電力の見積もりには、Power Design Managerを使用してください。
- デバイスの設定およびデバッグプロセスを実行します。
- Versalシステムの性能を向上させ、適切な電力および熱対策ソリューションを選択する。
- システムレベルでのシミュレーションとデバッグを実行する。
対象顧客層は ソフトウェアおよびハードウェア開発者、システムアーキテクト、DSP設計者 また、Versal Adaptive SoCの可能性と関連する設計手法を理解する必要のあるあらゆる専門家にも適しています。
前提条件として、AMD FPGAおよびSoCに関する知識、ならびにVivadoおよびVitisツールの基本的な使用経験が推奨されます。ツールおよびハードウェアについては、以下を使用します。 PetaLinux（バージョン2025.1） また、Versal VCK190やVEK280などの評価プラットフォームも利用可能です。
このコースは、 UPV-VaSiC マイクロエレクトロニクス設計国際講座 また、デジタル変革省とEUのNextGenerationEUが支援するチップチェアプログラムは、AMDと学術界がVersalに特化したエンジニアの強固な基盤を構築するためにどれほど力を入れているかを示している。
総合的に見ると、AMD VersalアダプティブSoCは、RFシステム、宇宙アプリケーション、AI集約型組み込みプラットフォームなど、クラウドからエッジまであらゆるものを網羅する非常に幅広いファミリーを形成しています。 異種アーキテクチャさまざまな専門シリーズ（RF、AI Edge、Prime、XQR）と、ツールやトレーニングのエコシステム（Vivado、Vitis、Vitis AI、HLS、Model Composer、VERSAL-ADMなどのコース）により、高度なコンピューティング、通信、または制御プロジェクトにおいて、ワットあたりのパフォーマンスと再構成の柔軟性を最大限に引き出す必要があるすべての人にとって、非常に有力な選択肢となります。
