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FPGA的DSP性能揭秘

来源:电子产品世界/作者:王莹?? 2007年07月12日 ?? 收藏0

  “今天,FPGA越来越多地应用在多种DSP中。我们预计这一趋势在未来几年会更加明显。”美国调查机构Berkeley设计技术公司做了上述预测。以Xilinx和Altera为主的两大FPGA厂商多年前就涉足了DSP应用领域,近一、两年,随着3G通信、视频成像等领域的发展,FPGA for DSP(FPGA的DSP)再次成为了热点。

  为什么会用FPGA做DSP?Xilinx中国区运营总经理吴晓东从DSP的概念上进行了分析:DSP表示数字信号处理器,也可以表示为数字信号处理—并不代表某一种芯片。实际上,数字信号处理有很多种不同的解决方法,可以用普通的数字信号处理器、MCU(微控制器)等实现,同样,FPGA也可以做数字信号处理。当数字信号处理速度不断提高时,FPGA的应用日益凸显。即FPGA for DSP与DSP互为补充。

  Altera亚太区市场渠道工程师王冬刚先生更进一步,甚至乐观地预测,两者不仅互为补充,FPGA可能会对当前的高端DSP形成竞争。他提出:传统DSP正在面临性能、功耗和面市时间的挑战,特别是以下应用:下一代无线通信系统,高端消费类电子,多通道视频系统。用FPGA实现DSP有两大趋势:其一,作为传统DSP协处理,满足系统设备对DSP超高性能的要求;其二,直接取代传统DSP,满足系统对功耗,成本和面市时间的超额要求。

不断发展的DSP处理需求

图1 不断发展的DSP处理需求

  FPGA做数字处理的特点是什么?对于普通的DSP,数字信号处理主要用一个单元,传统的DSP处理器是一个高性能的数字处理器,里面包括一个高性能的单元可以运行到几个GHz的速度,但是它仅仅是一个单元,当你做比较复杂的运算就可能来回循环几百次才可以做完这个运算(图2下),因此它的速度反而并不很快。

为何FPGA用于DSP

图2 为何FPGA用于DSP

  FPGA是一个天生的并行处理结构,FPGA里包含了有几百个单元,例如Xilinx Virtex-5 SXT是550MHz,但可以在一个单元之内迅速把这个复杂的运算一次完成(图2上),所以FPGA的性能实际上是远远高于传统的DSP(图3)。

DSP性能差距

图3? DSP性能差距

  根据令人信服的独立第三方benchmark表明: Altera的器件具有10x/美元的DSP性能。应用FPGA协处理器的系统架

构可以卸载传统DSP的工作负载,并且有效执行复杂的数学计算算法,提升DSP系统级效能。

  那么,用于DSP(数字信号处理)功能的FGPA与传统的DSP(数字信号处理器)之间是什么关系?FPGA厂商认为:传统的DSP是可编程的DSP,实际上是做信号处理理想的方案;但是随着目前运算的越来越复杂,标准的变化,对于高清、多通道、实时要求越来越高,所以在应用他们方法处理过程中有一个性能空白的地方,而这个地方越来越多的用户在用FPGA实施处理,所以可以认为FPGA和DSP是互为补充的,尤其体现在逻辑的复用和合并方面。

  逻辑的复用和合并需要新的外设和不同带宽总线实现的时候,这时用FPGA实现数字信号处理给工程师很大的灵活性,同时FPGA并行处理的能力强大,可帮助DSP做很多性能加速,以解决超负载的问题。这方面,FPGA厂商与TI有一种共识,双方在很多方面是互为补充,共同给客户提供一个更好的解决方案。

高性能DSP

图4? 高性能DSP

  FPGA的DSP的演进是这样的:把逻辑固化编程为一个固化的乘法器,然后把它提升更高的阶段,变成一个乘法累加单元(MAC)。为什么这样呢?因为数字信号处理并不是简单的乘法,在做数字信号处理的时候,会碰到很多乘和乘累加,还有比较、计数和矩阵运算等,如果这些都通过乘法器来做的话,需要信号处理的专家和熟悉FPGA的专家才可以做到。

  FPGA的DSP的另一个优势是,可以保证能够运行在250MHz以上,上限没有给出,这取决于用户,对一些有经验的用户可以运行到300MHz以上。但是对一个DSP设计人员,由于对FPGA不是很熟悉,也可以轻易运行到250MHz。

  Xilinx 8款产品

  Xilinx目前有8款FPGA的DSP。其中Sparten-3A DSP为低端产品,今年4月16日刚刚发布。高端的Virtex-DSP分为两个产品线:Virtex-4 SX,采用65nm工艺的Virtex-5 SXT。

  很多DSP工程师非常关心DSP的性能够不够高?所以Xilinx的产品从21最多到352个GMAC/s(千兆乘加/秒),以提供不同范围的性能,同时也增大在存储器方面的带宽。因此最低速产品可以运行到250MHz,高速产品运行到550MHz;MAC单元从84到640。


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