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揭秘FPGA的DSP性能
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2017-11-06
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“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。
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。
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）。
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。
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。
Altera的产品线
高密度Stratix III器件拓展FPGA的DSP性能。嵌入式DSP模块运行在550Hz，这些器件可达到每秒492千兆乘加（GMAC）的性能，并结合良好的逻辑结构与速度优化的互连。
低成本Cyclone III FPGA所提供的好处包括DSP性能、灵活性和更快的面市时间。廉价的Cyclone III ECP3C5拥有足够的嵌入式乘法器和逻辑资源，可以在1080p高清晰度视频上进行实时7×7像素过滤。Cyclone III是对成本敏感DSP应用的正确选择。
对于量大的应用， Stratix II器件可以引脚完全兼容地移植到HardCopy II结构化ASIC，从而保证客户的设计功能没有任何改变。Altera的新一代结构化ASIC芯片，逻辑相当于多达220万ASIC门，DSP模块相当于额外的140万门，还有集成超过8 Mbits的嵌入式存储器。
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。
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。
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）。
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。
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。
Altera的产品线
高密度Stratix III器件拓展FPGA的DSP性能。嵌入式DSP模块运行在550Hz，这些器件可达到每秒492千兆乘加（GMAC）的性能，并结合良好的逻辑结构与速度优化的互连。
低成本Cyclone III FPGA所提供的好处包括DSP性能、灵活性和更快的面市时间。廉价的Cyclone III ECP3C5拥有足够的嵌入式乘法器和逻辑资源，可以在1080p高清晰度视频上进行实时7×7像素过滤。Cyclone III是对成本敏感DSP应用的正确选择。
对于量大的应用， Stratix II器件可以引脚完全兼容地移植到HardCopy II结构化ASIC，从而保证客户的设计功能没有任何改变。Altera的新一代结构化ASIC芯片，逻辑相当于多达220万ASIC门，DSP模块相当于额外的140万门，还有集成超过8 Mbits的嵌入式存储器。
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