Soluções de DSP da AMD

Versal AI Engines: atendendo às demandas de computação DSP de alto desempenho dos aplicativos de última geração

Em muitos mercados de DSP dinâmicos e em evolução, como aeroespacial, defesa, automotivo/industrial e teste/medição, as aplicações estão aumentando cada vez mais a aceleração de computação de DSP, mantendo a eficiência de energia. 

Como a Lei de Moore e o Escalonamento de Dennard não seguem mais a sua trajetória tradicional, a migração para a próxima geração de nós de silício, por si só, não pode mais garantir os benefícios de menor consumo de energia e custo com melhor desempenho, como acontecia nas gerações anteriores.

Em resposta a esse aumento não linear na demanda por aplicativos de DSP de última geração, como canalização polifásica e beamforming, a AMD desenvolveu uma nova e inovadora tecnologia de processamento, o mecanismo de IA, como parte da arquitetura AMD Versal™.

Uma análise mais detalhada dos Versal AI Engines:

Arquitetura do mecanismo de IA

Os mecanismos de IA são arquitetados como matrizes 2D que consistem em vários blocos de mecanismos de IA e permitem uma solução muito dimensionável em todo o portfólio Versal, variando de dezenas a centenas de mecanismos de IA em um único dispositivo, atendendo às necessidades de computação de uma ampla gama de aplicações. 

Os benefícios incluem:

Programabilidade do software

• C programável por meio da plataforma de software unificada Vitis
• Programação baseada em modelo por meio do Vitis Model Composer 
• Saiba mais sobre o processo de projeto de DSP do mecanismo de IA 

Determinística

• Memórias dedicadas de instruções e dados
• Conectividade dedicada emparelhada com mecanismos de DMA (Direct Memory Access, Acesso direto à memória) para movimentação programada de dados usando conectividade entre blocos do mecanismo de IA 

Eficiência

• Oferece maior densidade de computação de DSP quando comparado com a lógica programável tradicional, ao mesmo tempo em que reduz o consumo de energia dinâmico. Clique aqui para saber mais. 

Com base em uma arquitetura de classe ASIC, os SoCs adaptativos e as FPGAs da AMD combinam largura de banda de E/S de centenas de gigabits por segundo com mais de 49 TeraMACs de desempenho de DSP de ponto fixo no Versal™ Série Premium. A fatia de DSP da AMD e seu paralelismo são fundamentais para o desempenho de DSP alcançável na última geração de FPGAs da AMD.

Arquitetura de fatias de DSP

A fatia DSP58 nos dispositivos Versal é a 6ª geração de fatias de DSP nas arquiteturas AMD.

Este bloco dedicado de processamento de DSP é implementado em chip totalmente personalizado, proporcionando liderança em consumo de energia/desempenho e permitindo implantações eficientes de funções de DSP populares, como multiplicador-acumulador (MACC), multiplicador-somador (MADD) ou multiplicação complexa.

A fatia também fornece recursos para executar diferentes tipos de operações lógicas, como E, OU e operações XOR.

A arquitetura DSP58 do dispositivo Versal baseia-se no sucesso da FPGA UltraScale™ DSP48E2 com mais aprimoramentos:

• Multiplier mais amplo (27 x 24 bits)
• Multiplier de ponto de flutuação de precisão simples
  
• Multiplicação complexa 18x18 usando dois DSPs em sequência
  
• Modo de produto escalar vetorial INT8
  

Esses aprimoramentos ajudam os aplicativos críticos de DSP a executar mais computação dentro da fatia DSP48E2 antes de entrar na malha da FPGA, resultando em economia de recursos e energia.

Recursos da fatia DSP48E2 (UltraScale) versus DSP58 (Versal)

Função	UltraScale	Versal
Tipo de bloco/fatia de DSP	DSP48E2	DSP58
Múltiplas operações de adição/subtração/conta
Multiplier e MACC	27x18	27x24
Elevação ao quadrado:  [(A ou B) +/- D]2
WMUX Feedback Ultra Efficient Complex Multiply CMACC	3 DSP48E2	2 DSP58
Suporte a SIMD
Circuito integrado de detecção de padrão
Unidade lógica integrada
Funções Wide Mux	48 bits	58 bits
Wide XOR	96 bits	116 bits
Multiplier de ponto de flutuação de precisão única
Saída opcional de 96 bits
Roteamento em sequência
Registros de pipeline
Pre-somador D
Multiplicação complexa sequencial, acesso AB Dyn
Melhoria do balanceamento do pipeline de registros AB

Vídeos em destaque:

1. Utilizando a elevação ao quadrado do MUX na fatia DSP48E2 (Vídeo)
2. Utilizando o feedback do Wide MUX na fatia DSP48E2(Vídeo)

Ferramentas e fluxos

Dependendo das suas preferências de projeto, a AMD oferece ferramentas que suportam entrada de projeto baseada em RTL, C/C++ e modelos. Essa flexibilidade no fluxo do projeto, juntamente com um extenso catálogo de IP de DSP, facilita a adoção de ferramentas e dispositivos AMD.

Visite Ferramentas, bibliotecas e estruturas para obter mais informações.

Métricas de desempenho de DSP

A tabela a seguir mostra algumas das principais métricas de desempenho do DSP para as famílias da Série 7, UltraScale™ e UltraScale+™. Para saber mais sobre o desempenho do dispositivo SoC adaptativo, consulte a seção Desenvolvedor de software.

Introduzimos ambientes de desenvolvimento de software e um conjunto abrangente de ferramentas, bibliotecas e metodologias poderosas e familiares que permitem que os desenvolvedores de software direcionem os SoCs adaptativos e as FPGAs da AMD com facilidade. Com ambiente de abstração de alto nível, a plataforma de software unificada Vitis™. Podemos oferecer experiências de desenvolvimento e tempo de execução de aplicações incorporadas familiares e semelhantes à GPU para desenvolvimento em C, C++ e/ou OpenCL.

Dispositivos MPSoCs e Versal da AMD

O MPSoC Zynq™ UltraScale+™  e a arquitetura Versal combinam um poderoso PS (Processing System, Sistema de processamento), incorporando processadores Arm® Cortex® e lógica programável pelo usuário em um único dispositivo.

Criação de perfis de aplicativos para aceleração

A plataforma de software unificada Vitis oferece a capacidade de criar um perfil de um determinado aplicativo e permite a criação de aceleradores de hardware para serem executados com mais eficiência na PL (Programmable Logic, Lógica programável), onde a flexibilidade e o paralelismo da FPGA são aproveitados para proporcionar grandes melhorias de desempenho. Isso também permite que outras funções do aplicativo sejam executadas no PS em paralelo, se desejado.

Ao direcionar os SoCs adaptativos e FPGAs da AMD, muitas aplicações de DSP e aplicações incorporadas verão ganhos em eficiência e redução do consumo de energia.

Recursos e desempenho do DSP dos dispositivos SoC da AMD

As tabelas a seguir mostram alguns dos principais recursos e métricas de desempenho de DSP para as famílias MPSoC AMD Zynq UltraScale+ e dispositivos Versal™. Para saber mais sobre o desempenho de dispositivos que não são SoC, visite a seção Projetista de hardware.

Notas:

1. Todos os cálculos de desempenho são baseados em peças de grau de velocidade -2 para SoC adaptativo Zynq 7000 e -3 para MPSoC Zynq UltraScale+
2. Usando o pré-somador, o desempenho do DSP pode ser aumentado em duas vezes para filtros simétricos
3. Consulte o WP486 – Aprendizado profundo com otimização de INT8 em dispositivos AMD (não aplicável a dispositivos Zynq)
4. Desempenho de ponto de flutuação de precisão única usando o núcleo de Floating-Point Operator com 3 fatias de DSP
5. Desempenho de ponto de flutuação de precisão única usando o núcleo de Floating-Point Operator com 4 fatias de DSP
6.  Desempenho de ponto de flutuação de meia precisão usando o núcleo de Floating-Point Operator com 2 fatias de DSP

Para saber mais sobre os SoCs adaptativos e MPSoCs da AMD, acesse:

• SoCs adaptativos e MPSoCs da AMD

DSP no subsistema de processamento

O PS fornece recursos de processamento de DSP por meio dos diferentes núcleos de processamento ARM.

Para obter mais informações sobre os recursos de DSP nos processadores ARM, visite:

• Família da Série Cortex-A
• Tecnologias SIMD e Advanced SIMD (NEON)
• Arquitetura de ponto de flutuação ARM

Alguns exemplos úteis podem ser encontrados nos seguintes locais:

Para o MPSoC Zynq UltraScale+, consulte UG1211 para obter uma demonstração de um FFT usando o conjunto de instruções do ARM NEON.

Para o SoC Zynq 7000, as seguintes dicas técnicas estão disponíveis no wiki da Xilinx ao direcionar o Cortex-A9 e o ARM SIMD:

• Criação da Biblioteca ARM NEON – Dica Técnica 2014.3
• Execução de testes da Biblioteca ARM – Dica Técnica 2014.3

Suporte de tipo de dados AMD

A AMD tem um suporte de tipo de dados muito flexível em seus dispositivos. As diferentes precisões de ponto fixo, ponto de flutuação e inteiro são suportadas nativamente nas ferramentas AMD, sendo o ponto de flutuação implementado com a ajuda do Núcleo de IP do Floating-Point Operator.

Os projetos de ponto de flutuação implementados nas FPGAs sempre levarão a um maior uso de recursos e energia em comparação com as implementações de ponto fixo ou inteiro. A conversão para uma solução de ponto fixo sempre que possível trará grandes benefícios:

• Menos recursos de FPGA
• Menor consumo de energia
• Custo mais baixo

Para obter mais detalhes sobre os benefícios da conversão de tipos de dados de ponto de flutuação para ponto fixo, leia o WP491.

Avaliações de desempenho

As tabelas abaixo mostram uma pequena seleção de algoritmos e possíveis melhorias de desempenho ao utilizar um dispositivo AMD, e em particular a malha na lógica programável para acelerar o projeto.

Notas:

1. ARM: quad-core A53 executado em Raspberry Pi a 1.200 MHz
2. Os valores de referência da Nvidia foram realizados usando Tegra X1
3. Fluxo óptico (LK) – tamanho da janela 11x1

Notas:

1. Núcleo Cortex-A9 usado apenas nos dispositivos Zynq ao direcionar o ARM
2. Os valores de referência da TI foram realizados utilizando o núcleo de DSP C66