FPGA用做数字信号处理应用

在2004年加入赛灵思公司之前，与大多数人的观点一样，我也认为FPGA“非常适用于原型设计，但对于批量DSP系统应用来说，成本太高，功耗太大。”,我原来一直认为，FPGA在成本和功效方面无法满足今天采用DSP系统架构完成的那些设计的预算要求。然而，没过多久，我源于“DSP视角”的看法就被大大地并且不可逆转地改变了。

今天针对DSP优化的高性能FPGA已经在DSP领域扮演着重要的角色。DSP领域的设计工程师逐渐发现他们所处的环境变化十分迅速，标准快速演化并且不断融合，上市周期越来越短，设计工作受到经济和技术上的约束增多，但设计一旦成功获得的回报也很巨大。

由于在性能和灵活性方面的完美组合，FPGA在DSP领域的应用越来越普遍(参看图1)。诸如通信、多媒体和国防行业等高增长的市场都非常需要高性能的DSP技术。这些市场的特点在于始终处于连续的变化之中，不断变化的标准、市场需求、客户需求以及竞争态势。要跟上市场变化，企业就需要一种强大且灵活的处理器---FPGA就是这种特别适合的技术。



图1：DSP技术对比。摘自“FPGAs for DSP，第二版”(c)2007 Berkeley Design Technology,Inc.浏览www.BDTI.com了解更多信息。

DSP市场研究机构Forward Concepts最近在题为“DSP战略”的报告中，该机构分析师Will Strauss预测：未来五年内，可重配置DSP(99%是FPGA)市场增长速度将超过DSP整体市场中的任何其它部分。Strauss还指出：FPGA经常被用来分流承担大量计算任务，帮助提高传统DSP芯片的能力。换句话来说，FPGA并非替代DSP。相反的是，功能和性能都不断增强的FPGA为DSP技术开拓了新市场。   

将DSP性能提升到极限

推动DSP应用对FPGA需求的最重要因素之一就是传统处理器性能增长放缓。尽管在摩尔定律的推动下，处理器的制造工艺不断向更小节点发展，但仅仅简单地通过减小工艺节点来大幅提高DSP和GPP的性能变得越来越困难。

与此同时，由于通信系统将数据传输效率不断推向香农定理(参见图2)的上限，算法的复杂性以更快的速度提高。Turbo编码和MIMO系统等先进技术已经非常接受香农定律的理论极限，成本就是极高的计算复杂性。这就导致了算法性能要求和处理器性能之间的差距越来越大。因此，设计人员必须寻找新的设计解决方案(如DSP)，在固定结构处理器之外选择FPGA。



图2：FPGA填补算法复杂性和固定架构处理器效率造成的性能差距。

FPGA满足性能挑战

FPGA的DSP性能领先的关键是其内在的并行机制，即利用并行架构实现DSP功能的功能。这一并行机制使得FPGA特别适用于完成像滤波这样的重复性DSP任务。因此，对于高度并行执行DSP任务来说，FPGA性能远超通用DSP处理器的串行执行架构。

例如，传统DSP处理器每个时钟周期最多可完成8个MAC操作。要执行一个256抽头的滤波器，传统DSP处理器需要在1GHz时钟下执行32个时钟周期，才能达到31.25MSPS的采样处理性能。与此相对比，有512个并行XtremeDSP逻辑片的赛灵思Virtex-4 SX55在500MHz时钟下可达到500MSPS的性能。(参看图3)因此在时钟慢一倍的情况下，FPGA提供的性能高了一个量级还多。



图3：并行实现的滤波器性能比传统DSP串行实现时的性能高了一个量级。

显然，实际应用不会仅仅涉及滤波，因此这一例子有点简单了。然而，独立的基准测试表明，即使在实际工作负载下，FPGA也有很大的性能优势。            

成本和功效

当然，性能并非一切：对几乎所有DSP应用来说，成本和功率也是考虑的关键因素。许多设计人员仍然有这样的错误印象，认为采用FPGA的成本要几千美元。实际上，在摩尔定律的推动下，FPGA的成本已经大大降低，比如，2000年时，百万系统门器件的成本为350美元，而采用90nm工艺后，成本还不到9美元。今天，FPGA产品已经进入了65nm工艺，十多种65nm产品已经上市并有几种已经量产，而45nm工艺的设计工作也已在进行中。因此，实际上FPGA现在已经成为领先半导体生产技术的重要推动力-FPGA成为每个新的工艺结点生产的首批器件之一。因此，FPGA将会继续在摩尔定律的推动下进一步降低成本，提高性能。

许多设计人员还认为FPGA是功耗大户。实际上，FPGA能够做到非常高的功效。U.C. Berkeley教授Bob Broderson在其58分钟的教学视频中充分表明了这一点：“利用重配置实现通用低功耗超级计算”(“General Purpose,Low Power Supercomputing Using Reconfiguration”)。在视频教程中，Broderson教授利用国际半导体电路大会上获得的芯片数据回顾了并行机制和功耗之间的相关性。如图4所示，他的结论给出明确的强有力信息：FPGA同时在性能和功率效率方面领先于DSP。(这一点在BDIT 2007年1月11日的DesignLine文章中进一步得到了证实：“FPGA与DSP：有关问题的重新审视”(FPGAs vs. DSPs: A look at the unanswered questions))



图4：FPGA的能源效率比通用DSP更好。

近几年来，FPGA供应商始终将功耗做为优先考虑的问题来抓，并在65nm工艺结点的创新功率优化技术方面投入了大量资金。事实上，一些最新的FPGA采用了与手机芯片一样的制造工艺。

然而，DSP性能的范围、功耗和成本要求非常宽泛，高性能DSP市场也需要一个DSP平台系列来满足如此广泛的要求，单单靠一种器件无法满足高端应用的极高性能要求以及大批量应用对价格和功率的要求。