FPGA新兴应用趋势洞悉

时间：09-21 来源：互联网点击：

数字信号处理器(DSP)

FPGA另一个新应用是取代DSP，由于FPGA适合规划成可同时大量平行运算组态，如此可加速数字信号运算。

所谓的「取代」，其实牵涉到价格效能比(Price Performance Rate，中国内地方面称为：性价比，性能价格比)问题，相同的数字信号运算工作可以用FPGA运算，也可以用DSP运算，重点在于芯片成本，一般而言FPGA的芯片价格贵过DSP，但FPGA同时间可平行执行的数字信号运算量比DSP大，当数字信号运算的需求量够大时，FPGA在价格效能比上就会超越DSP。

若更具体说明，一颗高效能的DSP约要30至200美元，而一颗高阶的FPGA则约200美元，高效能的DSP同时间可以处理4个信道的数字信号，而高阶的FPGA则可因应20至40个信道以上的信号运算，如此简单将信道数与价格相除，可明显看出在同时多组运算时FPGA的成本低于DSP。

当然，先决条件是应用需求上需要同时间的多组运算，并非所有的应用都需要大量的数字信号运算，不过无线基地台方面确实有此种需求，但无线基地台前端的用户装置则没有这类的需求，事实上现在确实有诸多的无线基地台，已从过去完全只用DSP方式来进行信号收发解析处理，改成部份使用DSP、部份使用FPGA。

但是这也并非绝对，原因有二，一是FPGA仍在积极降价中，未来的价格性能比会持续提升，目前只有大量的数字信号运算是属于FPGA较合算，但日后也会逐渐往中阶、初阶发展，接下来可能小规模性的基地台(如Pico Cell、Femto Cell等)也会使用。

另一是前端用户的数字信号运算量也在增加，特别是MIMO技术已经进入到末端用户产品上(如IEEE 802.11n标准)，同时2个、3个天线的收发将使数字信号的运算量增加，加上愈来愈多无线技术是使用OFDM调变，而OFDM的调变为高度平行化的运算，使用FPGA将可获得不错的效益。

虽然许多人看好FPGA取代DSP的后续发展，但是FPGA也并非全然无威胁，目前许多芯片业者正积极发展多核心处理器，例如Tilera公司的Tile64处理器拥有64个执行核心，一样可以提供大量平行的运算，而不需要使用FPGA或DSP。

如冰山般「厚实、缓慢」的推进

上述三种FPGA的新应用，笔者个人认为往后只会更扩展、更深入地运用，而不可能回退，高效运算系统未来只会愈来愈常使用FPGA，芯片设计上的逻辑功效验证也会愈来愈常用使用FPGA，并减少使用推演软件(或称：仿真软件)，基地台等应用也是如此。

所以FPGA是厚实地拥有了这三项新应用，未来用量与运用程度只会增加，但会慢慢地增加，因为FPGA的电路密度(或称：晶体管数量)只会愈来愈密、运作效能只会愈来愈快，同时价格也将愈来愈低。如同冰山一样：缓慢扩展，但每一英寸扩展却都相当地坚厚而难以回退。

△图说：Cray XD1超级计算机内的应用程序加速模块是用FPGA做协处理器，接着透过RapidArray接口连接至RapidArray的接口处理器(简称：RAP)，RAP另一端再以HyperTransport(简称：HT)接口与超级计算机的主处理器连接。

△图说：Cray XD1超级计算机应用程序加速模块部分的更仔细线路图，其中Xilinx VIRTEX FPGA与4颗QDR II SRAM相连，同时自身也能与其它相邻运算模块沟通传输，另外也与RAP相连。

△图说：SGI的RASC应用程序加速模块，可直接加装在SGI超级计算机机箱的上端，并透过NUMAlink 4接口与超级计算机相连，以加速原有超级计算机的应用程序运算。

△图说：SGI RASC加速模块的内部图，中间部位的铜质散热片下方即是FPGA芯片，设置于周旁的则是内存模块，后端的黑色连接器即是NUMAlink 4接口，2组连接器表示RASC具有2组NUMAlink 4接口。

△图说：另一款SGI RASC：RASC RC100 Blade，图中可见大量的DDR2 SDRAM内存模块，容量最高可至20GB，适合在大数据量的高效运算。

△图说：Cell宽带引擎芯片还在电路的开发设计阶段时，是先运用数颗FPGA芯片组兜出Cell的仿真电路，然后推演、验证其功效逻辑及机制是否正确无误，图为Cell芯片的裸晶与一般文具图钉的体积比较。

△图说：无线收发基地台端有着同时多组数字信号的运算需求，此时就价格效能比而言使用FPGA将比使用多颗DSP合算，图中为WiMAX基地台端的模块化运算机箱(东讯TECOM公司的WM5070)，机箱内负责无线传输的收发信号解析与演算，若WiMAX基地台使用方位性天线，则同时间内所需要运算的信号组数也会增加。

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