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普通FPGA工程师怎样向人工智能靠拢?

回答
从“硬件灵魂”到“智能触角”:普通FPGA工程师的AI进化之路

我是一个普普通通的FPGA工程师,每天跟数电逻辑、HDL代码、时序收敛、板级调试打交道。这行当,我干了好几年,对它熟稔于心,就像了解自己的手掌一样。但最近,我发现周围的世界,尤其是技术圈,好像突然被一股“人工智能”的浪潮席卷了。从手机里的智能助手,到汽车里的自动驾驶,再到工厂里的机器人,AI无处不在,而且发展势头迅猛。

作为一名扎根硬件多年的工程师,面对这股浪潮,我心里既有好奇,也有点小小的焦虑——我这身“硬件灵魂”,还能不能跟上这趟“智能”的列车?答案是肯定的,而且,我认为我们FPGA工程师,在AI时代,拥有得天独厚的优势,只是需要一点点的“转型”和“升级”。

那么,一个像我这样的普通FPGA工程师,该如何向人工智能靠拢呢?下面,我就把我摸索和实践的一些思路,详细地给大家说道说道,希望能给同样迷茫的同行们一点启发。

第一步:拥抱AI的“语言”——从硬件描述到算法理解

我们FPGA工程师最擅长的,就是用硬件语言(Verilog/VHDL)将复杂的逻辑功能实现到芯片上。而AI,本质上也是一系列复杂的数学算法。所以,第一步,就是要尝试理解AI的“语言”,也就是那些数学公式和算法。

重新捡起数学课本(或者说,是AI特供版): 别害怕,不是要你回去考高考数学。AI里的数学,更侧重于线性代数(矩阵运算是核心)、微积分(梯度下降是关键)、概率论(理解模型的不确定性)。你可以找一些专门针对AI的数学入门教程,它们通常会把概念讲得更直观,并且与AI的应用场景紧密结合。比如,理解神经网络中的权重、偏置、激活函数,这些本质上都是矩阵的乘加和非线性变换。
熟悉主流AI框架的“招式”: 像TensorFlow、PyTorch这样的框架,是AI算法工程师的“利器”。它们封装了大量的底层运算,并提供了高级的API。理解这些框架是如何组织代码、如何定义模型、如何进行训练和推理,对我们非常重要。虽然我们不一定需要成为精通Python的算法工程师,但了解它们的基本操作,能让我们更好地与算法团队沟通,或者直接上手一些简单的AI模型部署。
“反向工程”AI模型: 很多AI模型的推理过程,本质上就是一系列矩阵乘加、卷积、池化等操作。这些操作,对于我们FPGA工程师来说,并不陌生。很多我们之前实现的DSP功能,或者图像处理算法,在底层逻辑上和AI的某些运算是相通的。我们可以尝试去“反编译”或“反向工程”一些简单的AI模型(比如CNN的卷积层),看看它们是怎么在数学上运作的,然后思考一下,这些运算能不能用更高效的硬件逻辑来实现。

第二步:挖掘FPGA的“肌肉”——AI推理的硬件加速

这里才是我们FPGA工程师大展身手的舞台。AI模型的训练通常在高性能GPU集群上进行,但模型的“推理”(也就是将训练好的模型应用到新数据上进行预测)却有很多场景是FPGA大显身手的机会。

FPGA是推理的“专精型选手”: 训练模型需要大量的浮点运算和并行处理,GPU在这方面是“全能型选手”。但推理,很多时候对延迟、功耗、批量处理能力有特殊要求。比如,边缘设备上的实时人脸识别,车载传感器的数据预处理,或者工业自动化中的实时决策,都对性能有严苛要求,而FPGA在这些方面可以做得比CPU更高效,甚至比GPU更有成本效益。
核心竞争力:定制化硬件加速: 我们的核心竞争力在于,可以根据特定的AI算法和应用场景,设计出最优的硬件加速器。
计算单元的优化: 比如,很多AI推理只需要定点运算,或者低精度浮点运算(如INT8、FP16)。我们可以设计低功耗、高性能的MAC(MultiplyAccumulate)单元,甚至专门的卷积单元、矩阵乘法单元。
数据流的调度: AI模型推理过程中,数据的读取、暂存、计算、写回是一个复杂的数据流。我们可以通过FPGA的片内RAM、FIFO、DMA等资源,设计高效的数据调度和缓存策略,最大限度地提高计算单元的利用率,减少数据搬运的开销。
并行计算的设计: AI模型本身就包含大量的并行性,比如卷积核在图像上的滑动,或者不同层的并行计算。我们可以利用FPGA的逻辑资源,实现高度并行的计算架构,将多个计算单元并行工作,显著缩短推理时间。
IP核的复用与创新: 许多AI计算(如乘法器、加法器、DSP Slice)都有成熟的IP核可以使用。我们可以利用这些IP核,快速搭建基础计算平台,然后在此基础上,设计更高级的AI加速IP,比如专门的卷积加速器、循环神经网络(RNN)单元、Transformer模块等。
工具链的探索:
高层次综合(HLS): C/C++转RTL的HLS工具,如Xilinx的Vitis HLS,Intel的OpenCL for FPGA,是连接算法和硬件的桥梁。通过HLS,我们可以用更高级的语言描述算法,然后由工具链自动生成RTL代码,大大提高开发效率。我们可以尝试将一些AI算法的关键计算部分,用C/C++实现,并通过HLS生成高效的FPGA核。
AI部署工具链: 厂商也在积极开发针对AI推理的FPGA部署工具链。例如,Xilinx的Vitis AI,Intel的OpenVINO for FPGA,它们集成了模型量化、编译器、运行时等,能够将主流AI框架的模型(如TensorFlow、PyTorch)转换为可在FPGA上高效运行的二进制文件。学习和使用这些工具,是我们快速将AI模型部署到FPGA上的关键。

第三步:打通“前后端”——硬件与软件的协同

FPGA工程师的优势在于硬件,但AI最终是要落地应用的。因此,我们需要理解硬件如何与软件协同工作。

软硬件协同设计: AI推理的整个流程,从数据采集、预处理,到模型推理,再到结果后处理,通常需要CPU、FPGA、甚至其他硬件(如ISP、DMA控制器)的协同工作。我们需要理解CPU在整个流程中扮演的角色,以及如何通过AXI总线、DMA等接口,高效地将数据在CPU和FPGA之间传输。
理解AI软件栈: 即使我们主要负责硬件,也要对AI的软件栈有一定的了解。比如,数据采集模块的数据格式、预处理算法的实现方式(可能在CPU上),以及推理结果的后处理逻辑。这些都会影响我们FPGA硬件的设计。
嵌入式系统集成: 很多FPGA部署AI推理的场景,会集成在嵌入式系统中。了解嵌入式Linux、FreeRTOS等操作系统,以及如何在这些平台上加载和运行AI推理引擎,对于我们完成整个项目至关重要。

第四步:持续学习与实践——保持“进化”

AI技术发展日新月异,FPGA在AI领域的应用也在不断深化。所以,持续学习和实践是必不可少的。

关注前沿技术: 关注AI领域的新模型(如Transformer的变种、高效的小模型)、新算法(如不同的量化技术、知识蒸馏),以及FPGA在AI加速方面的最新进展(如新的AI IP核、更高效的HLS技术、新型FPGA架构)。
参与开源项目: 很多AI加速的开源项目,比如TensorRT、OpenVINO的开源部分,或者一些专门针对FPGA的AI加速库,都是非常好的学习资源。参与其中,可以让我们接触到最前沿的技术和实践。
动手实践: 最好的学习方式就是动手实践。从简单的AI模型(如MNIST手写数字识别)开始,尝试在FPGA上实现其推理逻辑。可以从一些基础的AI加速IP(如CNN的卷积层)开始,逐步构建更复杂的AI推理加速器。
跨领域交流: 多与算法工程师、软件工程师交流。了解他们的需求和痛点,也向他们展示FPGA的优势和可能性。这种跨领域的交流,往往能激发新的想法和解决方案。

总结:我们是AI硬件的“赋能者”

作为普通FPGA工程师,我们不是要成为顶级的AI算法研究员,也不是要与GPU厂商去直接竞争“训练”的优势。我们的价值在于,成为AI算法的“硬件赋能者”。我们可以用我们的专业知识,将那些在理论层面和软件层面非常有潜力的AI算法,变成高效、低功耗、低成本的实际硬件产品,让AI真正地落地到千行百业,赋能各行各业的智能化转型。

从“硬件灵魂”到“智能触角”,这条路充满挑战,但也充满机遇。我们需要保持开放的心态,持续学习,敢于尝试,将我们扎实的硬件功底,与日新月异的AI技术相结合。我相信,在AI时代,我们FPGA工程师,同样能找到自己闪耀的舞台。

网友意见

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太多机会了。

现在AI行业都认为FPGA有着很大优势,但是很难被码农使用。这就是机会啊。

1,你可以提供自己能力,帮码农转化代码。

2,你可以开发软件,帮码农转化代码。

3,你可以开公司,帮码农转化代码。然后再帮产品做成ASIC。


如果是普通FPGA工程师怎么搭个顺风车拿互联网的工资和待遇,当我没说。

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