人工智能从根本上依赖于旨在模仿人类认知过程的算法，硬件在这个过程中的作用同样重要。促进人工智能的三个主要硬件解决方案包括现场可编程门阵列（FPGA）、图形处理单元（GPU）和中央处理单元（CPU）。虽然GPU和CPU广为人知，但FPGA也经常出现。
FPGA是什么？
现场可编程门阵列（FPGA）是一种多功能集成电路（IC），最终用户可以编程以执行广泛的功能。FPGA由一系列可配置逻辑块（CLB）、互连和I/O块组成，这些块可以配置为执行各种功能。FPGA架构的配置通常使用一种语言来指定，即HDL（硬件描述语言），它类似于ASIC（特定应用程序集成电路）使用的语言。
FPGA架构
- 可配置逻辑块（CLB）：作为FPGA功能的核心，这些块包含逻辑门和少量内存，可以编程执行各种逻辑功能。它们是创建更复杂的数字电路的基石。LUT（查找表）实现组合逻辑函数；MUX（多路复用器）用于选择逻辑，DFF（D型触发器）存储LUT的输出。
- 可编程互连：连接逻辑块的可编程布线网络。这些互连可以配置为在不同的逻辑块之间路由信号，允许通过定义数据如何连接FPGA来创建复杂的数字电路。
- I/O块（输入/输出块）：位于每个输入或输出引脚旁边，这些块将FPGA的内部逻辑连接到外部环境。它们可以被编程为作为输入、输出或三态，使FPGA能够与外部设备和系统通信。
FPGA的类型
- 低端FPGA：为低功耗、低逻辑密度和低复杂性而开发。低端FPGA的例子有Altera的Cyclone系列、Xilinx的Spartan系列、Microsemi的Fusion系列和Lattice Semiconductor的Mach XO/ICE40。
- 中端FPGA：为平衡性能和成本而开发。中端FPGA的例子有来自Altera的Arria、来自Xlinix的Artix-7/Kintex-7系列、来自Microsemi的IGL002以及来自Lattice半导体的ECP3和ECP5系列。
- 高端FPGA：为高逻辑密度和高性能而开发。高端FPGA的例子有Altera的Stratix系列、Xilinx的Virtex系列、Achronix的Speedster 22i系列和Microsemi的ProASIC3系列。
FPGA的优势
- 灵活性：FPGA可以重新编程，以执行不同的任务，或在设备部署后再次更新其功能。这允许修改和改进，而无需重新设计硬件。
- 快速原型：设计师可以在FPGA上快速实施和测试他们的设计，使其成为原型和迭代开发过程的理想选择。
- 较低的初始成本：对于中小批量生产，与开发ASIC相比，FPGA的前期成本通常较低，因为没有涉及昂贵的制造成本。
- 缩短上市时间：由于FPGA在设计后不需要制造过程，它们可以大大缩短新设备的上市时间。
FPGA应用
- 电信：FPGA对于在不更换硬件的情况下进行信号处理和更新网络协议至关重要。
- 汽车系统：FPGA用于驾驶员辅助、信息娱乐和V2X通信，允许售后更新。
- 数据中心：加速数据处理、加密和网络管理，提高服务器效率。
- 航空航天和国防：FPGA在恶劣的环境中提供可靠性，处理雷达、通信和加密。
- 消费电子产品：用于相机、电视和家庭系统的处理，改善数字体验。
- 工业控制：简化控制系统、自动化和机器视觉，促进实时处理。
- 医疗和科学仪器：FPGA在成像设备中至关重要，可以快速处理复杂的算法，确保快速诊断。在数据采集和分析方面以精确和速度支持研究。
- 金融技术：通过低延迟、高吞吐量处理能力实现更快的高频交易。
- 人工智能和机器学习：加速AI/ML培训和推理，支持快速开发和部署。
FPGA和ASIC有什么区别？
虽然FPGA是具有可编程硬件结构的集成电路类型，但ASIC或特定应用集成电路是为特定应用或目的设计的半导体芯片类型。ASIC可以执行特定功能，一旦制造就无法重新编程或重新用途。以下是两者之间的比较：
| 特点 | FPGA | ASIC |
| 灵活性 | 高（可重新编程） | 低（不可重新编程） |
| 性能 | 低于ASIC | 特定任务的更高性能 |
| 耗电量 | 与ASIC相比更高 | 更低（优化效率） |
| 开发成本 | 低（无NRE成本） | 高（高NRE成本） |
| 单位生产成本 | 与ASIC相比更高 | 更低（针对面积优化） |
| 上市时间 | 更短（可重新编程） | 更长（由于设计和制造） |
| 可重新编程性 | 是的（可以更改后期制作算法） | 否（固定设计） |
| 合适的产量 | 中小型规模 | 大批量（以抵消NRE成本） |
| 设计周期 | 更短的 | 更长的 |
总之，FPGA和ASIC之间的选择取决于具体的应用要求。FPGA因其适应性和快速部署而受到青睐，是不断变化的环境、原型和需要灵活性的中型生产的理想选择。相反，ASIC在效率方面表现出色，提供优化的性能和更低的功耗，使其成为大批量、稳定的应用程序的更好选择，这些应用程序的高初始成本可以被大规模生产优势所抵消。使用FPGA或ASIC的决定最终取决于所需的灵活性、性能需求、功耗和产量等因素。
