软件开发者的福音，Xilinx Vitis平台突破软硬件壁垒解锁全新设计体验

作者:单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2019-10-19

今年10月份，赛灵思公司（Xilinx）向业界宣布，一款全新的统一软件平台Vitis 问世。Vitis
穿越软件和硬件，赋予软件开发者灵活应变的硬件，同时大幅提高硬件设计者的工作效率，包括软件工程师和AI科学家在内的广大开发者均将受益于硬件灵活应变的优势。赛灵思大中华区销售副总裁唐晓蕾女士更是称这款产品为公司未来成长的基石。历经五年、投入总计1000个人工年而打造的Vitis 统一软件平台，究竟能为行业带来哪些改变？为什么说它能够面向所有开发者解锁全新的设计体验？

图1   唐晓蕾通过赛灵思从器件到平台转型战略和产业发展趋势介绍 Vitis 发布的行业意义

应运而生：异构计算催生既可编程又能自适应平台
过去两年，赛灵思一直积极倡导自适应计算，是业界的领导者。根据唐总的介绍，在公有云市场，赛灵思是首家能够提供FPGA-as-a-Service服务的供应商。而FPGA-as-a-Service远不是说起来那么容易，做起来很难，因为传统的FPGA从来没有放到云上。灵活应变的异构计算是今后智能化产业的发展方向，是AI、5G、自动驾驶、基因组学等领域的基础。这也是赛灵思近几年付出巨大努力去做异构计算的原因，也是花费近千人年的力量打造Vitis 统一软件平台的原因。

自动驾驶是当下的热门话题，出乎大家的意料，在汽车市场赛灵思也有出色的表现。据唐总在Vitis统一软件平台发布现场提供的数据，赛灵思在汽车电子市场的出货量已经达到了1.6亿片。事实上，赛灵思并不是传统的汽车零部件供应商，由于自动驾驶和辅助驾驶的发展，在LV1和LV2阶段对电子化和自适应化提出了越来越高的需求，因此，也为赛灵思带来非常大的市场空间。

5G是自适应计算的另一个重要领域。随着大规模MIMO的部署，一个能够做到带宽自适应的应用场景正在到来。随着整个产业的升级换代，工业物联网对自适应计算也有了更多的需求，赛灵思在该市场也占有约70%的份额。

在上述所有新兴市场中，随着技术的转变和创新的提升，赛灵思正在扮演越来越重要的角色。“虽然我们是一家半导体供应商，但是我们还是希望能够做一个对世界、对人类有贡献的供应商。所以我们在做事情的时候，希望能够帮助创新者去打造一个更加美好的世界。”唐总表示。以基因计算尤其是新生儿的基因计算为例，将赛灵思的产品用于基因分析系统中，每一位婴儿的基因分析时间将从一天甚至几天缩短到20分钟。

在更加智能化的今天，行业发展呈现出三大趋势，一是异构计算乃大势所趋，二是从云到端均需要构建统一而稳定的计算平台，三是AI带来数据量的激增。为此，赛灵思提出自适应异构计算，这个异构和传统的异构不一样。在软件感知架构下，可以通过软件去做一些定向动态的应用。去年10月份推出的ACAP就是一个软件自适应计算加速平台。为了配合ACAP平台，Vitis突破了软硬件壁垒，面向所有开发者解锁全新设计体验。

面对异构计算，市场上的主流方案要么是可编程，要么是自适应，比如：CPU可编程，但硬件不可编程，属于软件可编程；GPU可编程，同样的问题是硬件不可编程；ASSP针对某一种应用场景的局部可编程，不能够自适应。赛灵思的ACAP则是目前市场上仅有的既可编程又能够自适应的方案。

图2   罗霖详细介绍 Vitis 技术细节、功能、资源及发展路线

四层架构三大特点：Vitis一站式解锁全员创新
AI激增带来用户需求的多样化，专门为某一个应用做一款芯片显然不能满足市场之需。一个灵活可扩展的平台可以根据应用和工作负载自动优化系统，包括软件甚至底层的硬件。赛灵思软件和人工智能高级经理罗霖表示：“一个效率高效的工具和软件开发平台将帮助工程师快速实现技术创新，这也是赛灵思发布Vitis的最大原因。Vitis 统一软件平台无需用户深入掌握硬件专业知识，即可根据软件或算法代码自动适配和使用赛灵思硬件架构。此外，Vitis 平台不限制使用专有开发环境，而是可以插入到通用的软件开发工具中，并利用丰富的优化过的开源库，使开发者能够专注于算法的开发。”

图3   Vitis统一软件平台的四层架构

Vitis构建在基于堆栈的架构之上，共有四层。第一层是基础层，是Vitis 目标平台。该平台由电路板和预编程I/O构成；第二层是Vitis 核心开发套件，覆盖开源赛灵思运行时库，以管理不同域间的数据移动，包括子系统、即将发布的Versal ACAP内的AI 引擎和必要的外部主机。此外，该层也提供编译器、分析器和调试器等核心开发工具。这些工具均能与业界标准的构建系统与开发环境无缝集成；在第三层，8个Vitis 库提供400 余种优化的开源应用。这8个库分别是：Vitis 基本线性代数子程序（BLAS）库、Vitis 求解器库、Vitis 安全库、Vitis 视觉库、Vitis 数据压缩库、Vitis 计量金融库、Vitis 数据库集和Vitis AI 库。借助这些库，软件开发者可以使用标准的应用编程接口（API）来实现硬件加速；Vitis AI是Vitis 平台的第 四层，也是最具有变革意义的一层。它集成了特定领域架构（DSA）。DSA 提供了针对AI模型的硬件实现，开发者可以使用包括TensorFlow 和Caffe 等业界领先框架对其进行配置与编程。Vitis AI 提供的工具链能在数分钟内完成优化、量化和编译操作，在赛灵思器件上高效地运行预先训练好的AI模型。此外，它也为从边缘到云端的部署提供了专用API，实现业界一流的推断性能与效率。罗霖表示，赛灵思很快将推出另一个DSA（Vitis Video），支持从FFmpeg直接进行编码并提供同样超级简单且功能极强大的端到端视频解决方案。目前，由合作伙伴公司提供的DSA 包括：与GATK 集成用于基因分析的Illumina，与ElasticSearch 集成用于大数据分析的BlackLynx，以及当前我们客户正在使用的专有DSA。

Vitis拥有三大特点：第一是开放，第二是标准，第三是免费。首先，Vitis统一软件平台支持在赛灵思异构平台上开发嵌入式软件和加速应用，包括FPGA、SoC和Versal ACAP，为边缘、云和混合计算应用加速提供了统一编程模型。其次，Vitis可与高层次框架进行集成，可以通过加速库采用C、C++或Python进行开发，也可以使用基于RTL的加速器和低层次运行是API对实现方案进行粒度更精确的控制。

在市场上，Vitis并不会取代应用甚广的开发工具 Vivado。罗霖说：“Vitis 独立于Vivado 设计套件，后者仍然继续为希望使用硬件代码进行编程的用户提供支持。但是，Vitis 也能够通过将硬件模块封装成软件可调用的函数，从而提高硬件开发者的工作效率。Vivado的目的是帮助Vitis提供一个目标硬件设计，所有的软件开发都可以用Vitis来完成。”

“硬件工程师可以继续在Vivado上做开发。软件开发者在不了解RTL、I/O的情况下，就用Vitis。如果你是一个AI科学家，非常专注于AI，你就可以用Vitis AI工具开发产品。因此说Vitis是面向所有开发者的统一软件平台，从云到端、从软件到AI都提供了综合全面的库和模型，它的主要目的是‘突破软硬壁垒，解锁全员创新’。我们希望所有的开发者都能够基于我们的软件硬件工具架构突破软件和硬件之间的壁垒，在我们的Vitis平台上去做创新。”唐总补充道。

随着计算需求呈指数级增长，工程师与科学家常常受到固定芯片性能的局限。赛灵思打造了一个卓越的设计环境，使各学科领域的编程人员与工程师能够使用他们已熟知并掌握的工具和框架，共同开发与优化他们的软硬件。这意味着他们可以根据自己的应用调整硬件架构，而不需要新型芯片。