什麼是 AMD Versal SoC？它們的不同系列是如何運作的？

PCHardwarePro » Windows » 什麼是 AMD Versal SoC？它們的不同系列是如何運作的？

如果你從事嵌入式硬體、人工智慧或訊號處理領域的工作，你一定聽過… AMD Versal自適應SoC這些並非普通的FPGA或簡單的處理器：它們是完整的異質運算平台，旨在覆蓋從雲端到邊緣，甚至太空的各種應用場景。在本文中，我們將深入了解它們的定義、產品系列（RF、AI Edge、Prime、Space XQR）以及AMD提供的開發工具。

其目的是，當你讀完這本書時，你將對以下內容有一個清晰的理解： Versal SoC 的用途是什麼？它們有何不同之處？ 以及如何使用 Vivado、Vitis 和整個相關生態系統來設計複雜的系統。您會發現這不僅僅是行銷噱頭：背後是一個精心設計的架構，旨在加速人工智慧、視訊、控制、高端 DSP 和高要求的射頻應用。

什麼是 AMD Versal SoC？為什麼它被稱為“自適應”SoC？

AMD Versal SoC本質上是一款 完全軟體可程式異質運算架構 它將多種運算引擎和大量的硬碟IP整合在單一晶片上。它不僅僅是一個具有嵌入式處理器的FPGA，而是一個能夠共存以下功能的平台：

• 基於高性能 Arm 核心的處理系統。
• 用於實現客製化硬體的FPGA型可程式邏輯（PL）。
• 針對推理工作負載和密集型 DSP 優化的 AI 引擎（AI 引擎 / AIE-ML）。
• 用於高速、低延遲資料傳輸的可程式片上網路（NoC）。
• 特定硬IP模組：DSP、記憶體介面、PCIe、乙太網路、RF-ADC/RF-DAC等。

「自適應」一詞源自於這樣一個事實：這套資源的設計目的就是為了讓你能夠… 在硬體和軟體層面重新配置設備。 根據每個應用的需求而定：從經典的控制系統到邊緣人工智慧加速器，包括寬頻射頻接收器或衛星有效載荷。

在 Versal 產品組合中，AMD 提供 通用設備和其他具有專門功能的設備這些特殊功能包括增強型 DSP 和機器學習 AI 引擎、整合式 RF-ADC/RF-DAC 模組、擴充型硬體 DSP IP，甚至還有用於傳輸大量資料的高頻寬記憶體。

這一切都歸功於高度完善的設計工作流程和最新版本的 Vivado 工具，它們既能實現上述功能，又能實現以下目標： 將大部分設計工作自動化。 如何讓使用者在關鍵點進行精細控制，從而實現極具競爭力的每瓦性能。

通用自適應SoC架構的主要組成部分

要充分理解AMD Versal SoC是什麼，有必要對其結構進行分解。 主要組成部分正如在諸如巴斯克大學 (UPV) 的 VERSAL-ADM 課程等技術培訓課程中所研究的那樣：

一方面是 可程式邏輯（PL）它是AMD FPGA傳統（Xilinx）的直接繼承者。客製化加速器、特定介面、處理管線以及各種不適合純軟體實現的客製化邏輯都在這裡得以實現。

控制心臟來自 處理系統（CIPS 或 PS）它整合了高效能 Arm 核心（例如最新一代的 Cortex-A78AE 和 Cortex-R52），以及記憶體控制器、標準週邊設備、整合安全功能，並且在某些型號中還整合了 Arm Mali GPU 來管理顯示器和圖形介面。

很多 智慧引擎或人工智慧引擎（AIE/AIE-ML） 它們提供向量計算和人工智慧組件。這些模組旨在以極高的能源效率處理 DSP 操作和深度學習演算法，並支援最佳化的資料格式（在第二代中，AIE-ML v2 中提到了 MX6 類型，以最大限度地提高每瓦效能）。

La 可程式片上網路（NoC） 它充當數據高速公路，連接記憶體、計算引擎、可編程邏輯和高速外設。 Versal 的優秀設計包括將流量對應到該片上網路 (NoC)，並平衡頻寬、延遲和優先權。

這幅圖景由一整套……構成。 下一代記憶體和介面解決方案 （某些型號支援 DDR5、LPDDR5X、高頻寬記憶體），以及多千兆序列收發器、高速 PCI Express 模組和高達 100G 的乙太網路等介面。

開發環境：Vivado 和統一的 Vitis 平台

如果沒有配套的開發生態系統，多功能SoC的強大功能就難以發揮作用。 AMD提供 非常完整的軟硬體環境 這樣，各種類型的設計師都可以使用適應性強的 SoC 和 FPGA 來處理項目，而無需陷入底層細節，除非必要。

Vivado Design Suite 用於硬體設計

AMD Vivado 設計套件是該裝置的參考軟體 自適應SoC和FPGA中的硬體設計它允許輸入設計（以 HDL 或透過圖形工具），進行綜合、定位和佈線，以及整個驗證和模擬過程。

Vivado 接受傳統的 HDL 語言作為 VHDL 和 Verilog它還包含一個基於IPI型使用者介面的圖形化工具，可實現即插即用的IP整合。這加快了複雜系統的建造速度，無需手動佈線。

Vivado的優點之一在於它提供 綜合和頂層實現 針對高度複雜的裝置，Versal 系列產品配備了用於時序收斂的特定輔助工具和穩健的設計方法，顯著提升了編譯速度、設計迭代次數和功耗計算精度。

AMD Vitis 統一軟體平台

Vivado專注於硬件，而AMD Vitis平台則負責其他方面。 統一SoC和FPGA上的軟體開發與加速Vitis 與 Vivado 協同工作，提供比傳統 RTL 更高的抽象層級。

使用 Vitis，您可以創建融合的設計 FPGA結構、Arm處理器子系統和AI引擎Vitis 可以使用 C/C++、OpenCL 或其他高階語言進行程式設計。它本身負責產生加速核心、管理與 PS 的通訊以及優化在 Versal 資源上的部署。

Vitis AI 用於人工智慧推理

基於 Vitis，AMD 推出了 Vitis AI，這是其全面的解決方案。 在 AMD 裝置上進行 AI 推理開發該平台包含預訓練模型、優化的 NPU 核心、庫、工具以及適用於邊緣和資料中心的範例設計。

Vitis AI 的設計目標有兩個： 高效且易於使用這樣一來，開發人員就可以充分利用 Versal SoC 或搭載 AMD Ryzen AI 技術的 PC 中的 AI 引擎，而無需在每個專案中重新發明輪子。

Vitis HLS 和 Vitis 模型編輯器

Vitis HLS 工具可讓您進行設計 使用 C/C++ 程式碼編寫用於 FPGA 的複雜演算法它能自動產生RTL程式碼。它與Vivado（用於綜合、佈局佈線）以及Vitis平臺本身緊密整合，用於開發異質系統。

另一方面，Vitis 模型編輯器提供了以這種方式運作的可能性 基於MATLAB和Simulink中的模型該工具採用高階模組和最佳化的效能來設計 DSP 演算法，透過自動產生適用於 AMD 裝置的程式碼，加快產品上市進程。

兩種情況下，目標都是一樣的： 縮短開發時間，提高生產力允許從人工智慧科學家到「傳統」硬體工程師等不同背景的人員在同一平台上協作。

AMD Versal RF系列：高效能射頻SoC

在 Versal 系列產品中， Versal RF系列 它面向射頻系統和先進測試設備。 AMD 將其稱為第五代直接射頻裝置，同時也是首款將它們整合到單一 SoC 中的裝置：

• 高解析度射頻資料轉換器，採用直接取樣技術。
• 高密度硬體型 IP DSP 運算模組。
• 專為密集處理數位訊號而設計的AI引擎。

AMD承諾透過此系列產品提供… 單晶片更高的運算效能 對於這類應用，Versal RF 在保持優化的尺寸、重量和功耗（即著名的 SWaP）的同時，據該公司稱，其數位訊號處理性能最高可達 80 TOPS。

AMD自適應和嵌入式運算事業部高級副總裁兼總經理薩利爾·拉傑解釋說，現代射頻系統需要 高解析度、高取樣率資料轉換器這會顯著增加DSP資源的消耗。 Versal RF透過將比多個裝置總和更大的DSP容量集中在單一SoC中，並提供專用AI引擎，從而解決了這個難題。

對寬頻頻譜進行精確監測

Versal RF系列最引人注目的功能之一是其能夠 並行採集和分析寬頻光譜 得益於高解析度多通道射頻轉換器，以及 14 位元校準。

具體來說，這些SoC能夠提供高達 18 GHz 頻率下每秒 32 吉取樣 (GSPS)。這使得對訊號進行高度精確、快速和靈活的表徵和研究成為可能。這在電磁頻譜作業、信號情報以及軍事或衛星通訊中尤其有用。

該設備針對尺寸、重量和功耗進行了最佳化。

Versal RF的另一個關鍵理念是優化SWaP： 尺寸、重量和功率透過將直接採樣射頻轉換器、硬IP DSP模組、AI引擎和可程式邏輯整合到同一晶片上，可以顯著減少組件數量和整個系統的功耗。

根據AMD的說法，以硬IP形式實現的DSP功能允許 節省能源並提高運算能力當外形尺寸受到限制時，這一點至關重要，例如航空航天平台、國防設備或便攜式測試和測量儀器。

Versal RF 系列的開發工具現已推出，AMD 也公佈了其路線圖：計劃於 2025 年第四季度推出矽樣品和評估套件，目標是在 2027 年上半年開始量產出貨。

AMD Versal AI Edge Gen 2 與 Versal Prime Gen 2 系列

AMD也大力推廣該系列產品。 Versal AI Edge Gen 2 與 Versal Prime Gen 2這些晶片專為嵌入式和下一代人工智慧應用而設計，其目標是在單一晶片上提供加速人工智慧、視訊和控制端到端運算所需的一切。

這些SoC旨在覆蓋 整合人工智慧的三種經典計算階段：預處理、推理和後處理，並兼顧每個環節的效能和資源消耗。

1. 感測器資料預處理

在預處理階段，它們負責： 處理來自感測器的訊息資料融合和預處理用於推理。在第二代產品中，處理流程得到了顯著改進，延遲更低，並利用可程式邏輯和運算資源實現了更高的靈活性。

2. 基於馬賽克式架構的人工智慧推理

人工智慧的推理部分仰賴… 採用 AIE-ML v2 的馬賽克式架構能夠處理旨在最大限度提高每瓦性能比的 MX6 資料類型。 AMD 聲稱，與第一代 Versal 相比，其每瓦效能提升高達三倍，這對於功耗控制嚴格的嵌入式系統至關重要。

3. 後處理和高階控制

在後處理中，這些SoC允許執行以下操作： 複雜的控制和決策演算法 基於一系列先進的CPU核心。 AMD指出，與第一代產品相比，標量運算效能提升高達10倍，這使得實現複雜的決策邏輯以及與其他子系統的整合變得更加容易。

Versal AI Edge Gen 2 的 CPU 與週邊設備配置

Versal AI Gen 2 SoC 具有相當全面的 CPU 配置，其中可能包括：

• 用於加速人工智慧工作負載的專用引擎 關於人工智慧引擎。
• 具有多達 8 個 Cortex-A78AE 核心的處理系統 (PS)，適用於進階應用。
• 最多 10 個 Cortex-R52 內核，專為即時任務和功能安全而設計。
• Arm Mali-G78AE GPU 用於處理顯示和圖形。
• 支援 DDR5 和 LPDDR5X 的記憶體控制器。
• 整合安全模組，支援 ASIL D、SIL 3 和安全啟動 採用後量子保護。
• 整合影像訊號處理器（ISP）和視訊編碼/解碼模組。
• 用於實現自訂功能的可程式邏輯矩陣。
• 高效能 I/O 介面：PCIe Gen 5、100G 乙太網路、可程式 I/O 和串列收發器。

透過這種組合，AMD 旨在將 Versal 定位為 在人工智慧嵌入式領域，它是一個非常強大的競爭對手。儘管英偉達在資料中心人工智慧領域仍然遙遙領先，但在嵌入式和邊緣人工智慧領域，AMD憑藉Versal、Vitis AI以及將Ryzen AI整合到PC中的策略，鞏固了其對抗英特爾和其他競爭對手的地位。

Versal XQR：面向空間應用的自適應SoC

其中一個特別有趣的變體是 Versal XQR 系列這些專為航太領域設計的設備，將超高性能自適應SoC的概念帶到了衛星和太空任務的環境中，在這些環境中，可重構性和可靠性至關重要。

Versal XQR 新增 機器學習能力和極高的頻寬 專為在軌處理有效載荷應用而設計，它們顯著增加了可用邏輯單元的數量、整合 SRAM 和多千兆位元收發器頻寬。

由於這種組合，它們能夠 實現基於向量的演算法和高速訊號處理 直接在太空中進行操作，這樣就有時間在衛星已經部署的情況下更新或重新配置有效載荷功能，這對於長期任務至關重要。

基於AMD在航太技術領域的既往經驗，Versal XQR系列定位為 在軌可重構解決方案的新標準支援多個處理節點，並為更靈活、更耐用的系統打開了大門。

設計方法論與專業訓練：以VERSAL-ADM課程為例

要充分利用所有這些技術，你需要一個 紮實的​​設計方法論和專門培訓一個很好的例子是瓦倫西亞理工大學 (UPV) 開設的 VERSAL-ADM 課程——「使用 Versal 自適應 SoC 進行設計：架構和設計方法」。

本課程是以下課程的一部分： 通用自適應SoC工程路徑，這是一個循序漸進的培訓路徑，涵蓋了 Versal 開發生態系統，從基本架構到高級異質應用程式的設計，包括使用 AI 引擎和數位訊號處理進行加速。

培訓的重點是讓學生獲得 全面了解 Versal 架構的各個模組PL、高速 I/O、時脈架構、CIPS 處理系統、AIE 智慧馬達和可程式片上網路。

在整個課程中，使用 下一代儲存技術和介面 旨在為多個應用程式提供高效能異質加速。此外，它還深入探討了應用程式映射和分區、設計收斂以及電源和散熱解決方案，以優化整體性能。

具體目標包括：

• 詳細分析 Versal Adaptive SoC 的架構。
• 描述可用的計算引擎及其所包含的資源。
• 解釋片上網路 (NoC) 和人工智慧引擎 (AIE – AI Engines) 的架構。
• 總結設備記憶體解決方案和程式介面。
• 確定 PCIe 解決方案和整合式串列收發器。
• 示範嵌入式軟體開發工作流程和人工智慧引擎。
• 運用工具和方法創建複雜系統。
• 使用電源設計管理器估算功耗。
• 運行設備配置和調試過程。
• 提高 Versal 系統的性能，並選擇合適的電源和散熱解決方案。
• 在系統層面進行仿真與除錯。

目標受眾包括 軟體和硬體開發人員、系統架構師、DSP設計師 以及任何需要了解通用自適應SoC及其相關設計方法潛力的專業人士。

建議具備AMD FPGA和SoC的知識，以及Vivado和Vitis工具的基本使用經驗。關於工具和硬件，我們將使用以下設備： PetaLinux（版本 2025.1） 以及 Versal VCK190 或 VEK280 等評估平台。

本課程由以下框架內資助： UPV-VaSiC 微電子設計國際教席 由數位轉型部和歐盟支持的晶片教席計畫——NextGenerationEU，顯示了 AMD 和學術界正在大力推動培養一批專注於 Versal 技術的工程師。

總而言之，AMD Versal 自適應 SoC 系列產品構成了一個非常廣泛的產品家族，涵蓋從雲端到邊緣運算的各個領域，包括射頻系統、空間應用和人工智慧密集型嵌入式平台。它們的強大之處在於… 異質架構各種專業系列（RF、AI Edge、Prime、XQR）以及工具和培訓生態系統（Vivado、Vitis、Vitis AI、HLS、Model Composer、VERSAL-ADM 等課程）使其成為任何需要在高級計算、通信或控制項目中最大限度地提高每瓦性能和重新配置靈活性的用戶的非常可靠的選擇。