FPGA在醫(yī)療設(shè)備中有什么樣的作用

FPGA（現(xiàn)場可編輯門陣列）作為賽靈思（Xilinx）的一項重要發(fā)明，以其可編程和靈活性著稱。起初，F(xiàn)PGA只是用來仿真ASIC，再進行掩碼處理和批量制造使用。不過ASIC相比FPGA來說明顯在定制化上要求過高，流片量過小情況下成本反而更高，因此兩者毫不沖突地“各司其職”。而后，隨著加速器的出現(xiàn)和算力提升，目前已成為與GPU齊名的并行計算器件。

如今，F(xiàn)PGA已進發(fā)數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，相比CPU和GPU，F(xiàn)PGA所需器件更少，功耗也更優(yōu)。賽靈思依靠其“數(shù)據(jù)中心優(yōu)先”、“加速核心市場發(fā)展”、“驅(qū)動自適應(yīng)計算”的三大戰(zhàn)略加持下，使其ACAP平臺和Alveo加速卡在數(shù)據(jù)中心市場極具競爭力。

除此之外，賽靈思曾為筆者展示過其云服務(wù)商領(lǐng)域的“一體化SmartNIC平臺”、消費領(lǐng)域的“FPGA TCON”方案、工業(yè)領(lǐng)域的Zynq SoC系列方案。

實際上，根據(jù)賽靈思透露，醫(yī)療領(lǐng)域已占據(jù)賽靈思營收非常重要的比重，并且一直在11%-15%的速度增長。那么賽靈思是依靠什么FPGA產(chǎn)品占據(jù)的醫(yī)療市場，F(xiàn)PGA器件在醫(yī)療設(shè)備中扮演什么角色？

日前，賽靈思為記者介紹了近期在醫(yī)療科學和醫(yī)療設(shè)備方面的成果，21ic中國電子網(wǎng)記者受邀參加此次采訪。

FPGA器件能用在什么地方

信息顯示，全球人均醫(yī)療支出每年都在增長，隨著人口老齡化加劇，消費者對醫(yī)療條件和醫(yī)療成本都有著極高的預期。另一方面，隨著疫情的爆發(fā)，市場對病情的及早發(fā)現(xiàn)和診斷的快速分析有了更高的要求，這就需要醫(yī)療器械成本的進一步降低和算力的提升。

FPGA器件自身擁有可編程特性，借助這種優(yōu)勢，可避免ASIC器件前期高昂的一次性工程費用，消除最低訂單數(shù)量和多芯片迭代風險和損失。醫(yī)療行業(yè)本身是與科技發(fā)展聯(lián)系最為緊密的行業(yè)之一，伴隨FPGA器件的不斷迭代升級，更多新設(shè)備出現(xiàn)，引領(lǐng)了新的治療方法、治療途徑、治療理念的改變。

賽靈思醫(yī)療科學全球業(yè)務(wù)市場負責人Subh Bhattacharya

根據(jù)Subh Bhattacharya的介紹，賽靈思的FPGA器件在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為三類：臨床、醫(yī)療成像和診斷分析。

01

臨床環(huán)境

臨床設(shè)備數(shù)量大種類多，因此需要靈活性極強的FPGA。需要注意的是，部分設(shè)備直接影響患者生命安全，對啟動速度、安全穩(wěn)定性、時延要求極高；部分設(shè)備在便攜性上則有一定要求，對功耗、小尺寸有很大需求。

根據(jù)Subh的介紹，在臨床方面，賽靈思的Zynq UltraScale+ MPSoC（下文簡稱為“ZU+ MPSoC”）是一個高度集成的平臺，集成多個處理器，擁有可編程邏輯，此外還集成了信息安全和功能安全功能。Subh強調(diào)，這個技術(shù)平臺的強大功能和性能非常適合在臨床環(huán)境應(yīng)用之中，包括從云端到邊緣。

Subh為記者展示了幾個利用該平臺解決臨床環(huán)境的實例：

其一是賽靈思與Spline.AI和AWS（亞馬遜云服務(wù)）合作開發(fā)的醫(yī)療AI，利用ZU+MPSoC的ZCU104平臺作為邊緣設(shè)備，實現(xiàn)的高精度低時延的醫(yī)療X射線分型深度學習模型和參考設(shè)計。該方案可獨立自主根據(jù)Chest X-Ray預測疾病，也可預測COVID-19和肺炎，也可開發(fā)定制模型供臨床使用。另外，ZCU104支持開源語言PYNQ語言下開發(fā)，也可借助AWS IoT Greengrass實現(xiàn)進一步的擴展和部署。該方案發(fā)揮了ZU+ MPSoC的高性能和擴展性，賦予了低成本醫(yī)療設(shè)備高精度的診斷。

其二是賽靈思為奧林巴斯內(nèi)窺鏡核心技術(shù)提供支持。該方案發(fā)揮了ZU+ MPSoC在啟動速度、功耗和低時延的特性。

其三是賽靈思為Clarius超便攜高性能超聲波系統(tǒng)。該方案發(fā)揮了ZU+ MPSoC片上雙ARM處理器和FPGA的小尺寸封裝特性，實現(xiàn)了超便攜。

究其歷史，Zynq SoC是賽靈思在2011年推出的全球首款集成ARM內(nèi)核的產(chǎn)品，彼時該平臺稱為“可擴展的處理器平臺”，主要是為了將市場擴展到嵌入式應(yīng)用之中。此前FPGA多用作輔助芯片，自從引入更多功能的集成SoC平臺之后，ARM GPU、數(shù)據(jù)安全處理器、功能安全處理器都被集成在單芯片之中。Subh表示，經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)型之后，賽靈思從每年5%-6%的收入增長，實現(xiàn)了到14%-15%的收入增長，2.5倍的增長率全要歸功于這樣的技術(shù)平臺。

除此之外，Subh還為記者展示ZU+ MPSoC在醫(yī)療安全上的解決方案?！澳壳埃虬惭b的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備超過1億臺，到2020年將增長到1.61億臺。醫(yī)界高管認為 59%隱私問題， 55%老舊系統(tǒng)集成和54%安全問題，是阻礙當今醫(yī)療機構(gòu)采用物聯(lián)網(wǎng)的三大障礙?！?/p>

Subh表示，賽靈思可以利用可編程平臺，不斷適應(yīng)新的安全防護措施，這種升級囊括了軟件和硬件。最終體現(xiàn)在SoC上的，就是認證與加密啟動、安全啟動、測量啟動、安全應(yīng)用通信、基于云的監(jiān)測等功能。

02

醫(yī)療成像

大型醫(yī)療成像設(shè)備使用FPGA器件已經(jīng)是基本操作，Subh為記者介紹，在醫(yī)療成像方面，主要包括CT、超聲、X射線、PET、MRI掃描儀等。

對于醫(yī)療成像，Zynq UltraScale+ MPSoC同樣適用。Subh表示，除此之外還有Versal ACAP，這個系列可以理解為下一代的MPSoC，Versal ACAP在成像領(lǐng)域具有非常大優(yōu)勢。

Versal ACAP除了擁有ARM多處理器集成、可編程邏輯、DSP以外，還加入了AI引擎，即SIMD、VLIW這樣的單元，可以支持很多類似操作的平行處理。

Subh為記者展示了超聲波圖像重構(gòu)與計算機輔助診斷的方案，利用賽靈思的軟硬件支持，能夠降低功耗和熱度范圍、降低解決方案成本、延長設(shè)備使用壽命、低時延邊緣推斷，雖然市場非常復雜，賽靈思的技術(shù)也能夠大大提高生產(chǎn)力。

03

診斷分析

Subh表示，除了SoC和FPGA，賽靈思還提供即插即用的Alveo加速卡，正因這是一種PCle的解決方案，因此可以大大降低開發(fā)時長。根據(jù)介紹，Alveo加速卡適用于任何通用PC，既可以加速CPU的普通任務(wù)，也可以加速其他的GPU的任務(wù)，最終實現(xiàn)高吞吐量和超低時延。其獨特的算力和靈活應(yīng)變能力，可以大大加速很多的醫(yī)療應(yīng)用。

聯(lián)影醫(yī)療（United Imaging）是一家中國公司，這家公司在使用Alveo U200加速卡替代傳統(tǒng)GPU時發(fā)現(xiàn)，Alveo的技術(shù)成本更低、功耗更低，并且無需犧牲任何性能或是開發(fā)進度。

FPGA vs. CPU&GPU

醫(yī)療設(shè)備中使用CPU或者GPU產(chǎn)品的方案也屢見不見，為何FPGA擁有如此卓著效果，甚至有著替代CPU和GPU的“魔力”？實際上，CPU和GPU都屬于馮諾依曼結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA能夠突破結(jié)構(gòu)上的限制因此擁有極強的能效。

具體來說，CPU和GPU需要使用SIMD（單指令流多數(shù)據(jù)流）來執(zhí)行存儲器、譯碼器、運算器、分支跳轉(zhuǎn)處理邏輯等，F(xiàn)PGA則在燒寫時已經(jīng)確定每個邏輯單元的功能，因此不需要指令；另外，CPU和GPU在內(nèi)存使用中是共享的，因此就需要訪問仲裁，執(zhí)行單元間的私有緩存使得部件間要保持緩存一致性，同樣在燒寫過程中FPGA已明確通信要求，因此無需共享內(nèi)存進行通信。

得益于此，F(xiàn)PGA擁有極強的浮點乘法運算能力，而且對比同樣是浮點運算的GPU延遲更低。這是因為，F(xiàn)PGA同時擁有了流水線并行和數(shù)據(jù)并行，而GPU只有數(shù)據(jù)并行。

從算力上來說，賽靈思還將FPGA器件轉(zhuǎn)變?yōu)榱薙oC進行加速和自適應(yīng)。賽靈思在加速上通過標量引擎實現(xiàn)，包括ARM、應(yīng)用處理器和實時處理器，而自適應(yīng)引擎的核心便是可編程邏輯器件FPGA，另外還配備智能引擎，目前配備的是DSP。特別是，在Versal ACAP的平臺上還會將會有AI引擎進行支持，進一步進行加速和自適應(yīng)。

“在醫(yī)療領(lǐng)域，諸如內(nèi)窺鏡這種應(yīng)用，手術(shù)中患者擁有一個共同的要求，就是時延非常低，甚至需要實時來完成。從攝像頭捕捉圖像，經(jīng)過管線處理，再到顯示屏可能不到20微妙的時間。CPU和GPU達不到FPGA如此低的時延，因此這就是FPGA相比CPU和GPU的最大優(yōu)勢”，Subh繼續(xù)為記者介紹，從功耗、成本和集成上，賽靈思SoC的FPGA也擁有更好的優(yōu)勢。

“很多領(lǐng)域，諸如視覺化，GPU使用很多年了，F(xiàn)PGA并不是做不到，不過我們還是會專注在優(yōu)勢的領(lǐng)域，即在封閉空間內(nèi)做數(shù)據(jù)移動，而非斷斷續(xù)續(xù)的內(nèi)存上傳的情境”，Subh坦言。

不同層面分析FPGA在醫(yī)療的應(yīng)用

能夠在醫(yī)療領(lǐng)域，兼顧擁有業(yè)界領(lǐng)先的AI時延與性能，生命周期延長、高質(zhì)量、高可靠性、高安全性，實時、確定性控制與接口的僅賽靈思一家。

賽靈思除了提供FPGA和 SoC這樣的硬件器件及平臺以外，還專門為降低FPGA 開發(fā)門檻滿足廣泛市場應(yīng)用需求量身定制了Vitis AI統(tǒng)一軟件平臺。之前筆者也曾多次介紹這款軟件平臺，算法工程師無需硬件設(shè)計經(jīng)驗，也可直接應(yīng)用算法的實現(xiàn)。

賽靈思的醫(yī)療解決方案幫助了Illumina對重癥新生兒做基因組分析，為ICU患者和重癥患者加速推進eyetech的基于眼球追蹤的溝通平板電腦，與邁瑞合作以抗擊新冠疫情。FPGA就是在不經(jīng)意間為聲名增添了一份敬畏。

筆者認為，賽靈思的FPGA器件從高性能加速和自適應(yīng)兩方面著手，成為了其在市場立足的最大競爭力。一方面，F(xiàn)PGA、ARM、應(yīng)用處理器、實時處理器、DSP、AI引擎利用片上系統(tǒng)（SoC）和軟件進行高度集成，既增強了算力也增強了應(yīng)用的擴展性；另一方面，F(xiàn)PGA本身擁有的低延時性，對于時延要求極高的醫(yī)療領(lǐng)域可以說是“天生一對”。

從市場上來分析，隨著疫情的爆發(fā)，醫(yī)療設(shè)備市場需求持續(xù)增加，其中不乏大型數(shù)據(jù)分析和便攜性要求極高的設(shè)備，這剛好吻合了FPGA SoC的特點。另一方面，醫(yī)療水平的提升和市場馬太效應(yīng)之下，更具能效和低功耗優(yōu)勢的FPGA產(chǎn)品需求量持續(xù)增加。

從軟件上分析，賽靈思的Vitis平臺適用于不同人群，包括熟練掌握HDL語言的硬件工程師，熟練掌握各大編程語言的軟件工程師，也適用于熟練掌握TensorFlow、Caffe、PyTorch的算法工程師。利用這種靈活性，可以讓許多有創(chuàng)意的初創(chuàng)公司有了施展拳腳的可能。

通過賽靈思的介紹，可以說無論是大型設(shè)備還是便攜設(shè)備，F(xiàn)PGA都有其一席之地。

未來賽靈思醫(yī)療創(chuàng)新之路該如何發(fā)展？Subh表示，在醫(yī)療產(chǎn)品上賽靈思將不斷提高集成度并降低封裝尺寸，另一方面，將會不斷發(fā)展異構(gòu)計算提高效率和性能。