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FPGA性能超越DSP数十倍
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2017-11-06
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多年以来，在ASSP、ASIC、DSP、FPGA等芯片的选择问题上，高端通信系统设计师总面临诸多棘手而复杂的难题。
虽然这些芯片技术在价格与性能方面各有优劣，但是FPGA供应商一直宣称：与复杂且昂贵的ASIC相比，它们提供的产品在多个方面都更胜一筹，例如具有更快的产品上市速度，以及更多的设计灵活性。然而截至目前，在与DSP的竞争中，人们却普遍认为，FPGA在性价比方面的表现远不如DSP。
不过，技术咨询公司Berkeley Design Technology（BDTI）一项最新但是具有争议性的基准测试研究结果显示，在多个意义重大的DSP应用中，FPGA的性价比优势可能超越了独立DSP。
“特别地，在诸如高端通信基础设施等包含大量并行运算、且对性能要求极高的应用中，FPGA较独立DSP更合适。”BDTI创始人兼总裁Jeff Bier表示，“FPGA将在DSP应用中扮演越来越重要的角色。”
这份报告既详细又措辞微妙，它指出，FPGA不会在一夜之间彻底颠覆现有格局。Bier极力强调，对许多高端电信应用及其它应用来说，FPGA仍将与系统内已有的器件共存，这些器件包括ASSP、ASIC、DSP、通用处理器等。但根据BDTI的研究，仍有迹象表明，传统上与高成本联系在一起的FPGA，实际上在某些设计应用中比DSP方案还便宜。
这项名为“FPGA与DSP”的研究，包括以BDTI专有的正交频分复用（OFDM）基准技术为基础，在以电信应用为导向的高端任务中，选择DSP和FPGA，对其相关性能与效率进行测试。该OFDM基准被用来描述在数字用户线（DSL）系统、有线调制解调器和无线产品中出现的信号处理类型。
“当你处在类似多信道OFDM接收机这样一个对性能要求苛刻的环境中时，换成FPGA能得到很好的结果。”Bier表示。
在各种具有“经济效益”的中端器件间进行测试（或竞赛），结果显示FPGA的性能明显超出DSP——至少是基于这项基准的情况下。另外，BDTI的报告还显示，赛灵思公司的中端Virtex-4 SX25系列FPGA，性能也超过了Altera的Stratix II 2S15系列FPGA，以及TI的TMS320C6410 DSP和飞思卡尔的MSC8144 DSP。
基准测试结果对具体芯片能支持的信道数以及相应的每信道成本进行了比较。
BDTI基准测试中，FPGA性能胜出竞争对手DSP。
Bier指出，高性能DSP的售价一般在30-200美元之间，在基准测试中的DSP能处理大约4条信道。对应于最高价格200美元，它相当于50美元/信道。而研究中采用的成本高达200美元的高端FPGA，能实现20-40条基准接收器信道（一些固定的乘法器被内置于FPGA架构内，而且一些附加的乘法器还可以被设计进FPGA逻辑结构）。这相当于FPGA的每信道成本可低至6美元，Bier强调。
设计师因而能以较低的时钟频率（在FPGA上约为250MHz）实现更多的乘法器。“从而使FPGA的每秒钟吞吐量比DSP高一个数量级。”他表示。
测试结果指出，赛灵思器件的相对等级为34，Altera为17，而TI则为1。飞思卡尔的器件也参与了评估，但是没有给出相对等级。
结果出人意料？
换句话说，按BDTI的基准，赛灵思FPGA的成本效益是TI DSP的34倍，这样的结果使众多分析人士大跌眼镜。“太令人震惊了！”分析师Satya Chillara表示，“站在频率角度上，我之前从不认为FPGA会超越DSP。”Chillara是美国投资银行Pacific Growth Equities公司的分析师，负责跟踪研究Altera、TI、赛灵思和其它芯片厂商。
飞思卡尔和Altera拒绝对该报告发表任何评论，FPGA巨头赛灵思则欢呼胜利。“当对不同FPGA公司的竞争平台进行对比时，性能测试结果能够说明一切。”赛灵思处理方案部的副总裁兼总经理Omid Tahernia表示。
Tahernia也指出，在高端系统中，FPGA和DSP仍存在一定程度的互补性。“真正的竞争仍在FPGA和ASIC之间。”他补充道。
“我们正在从ASIC市场夺取份额吗？是的，没错。”Tahernia说。
TI的DSP产品全球营销经理Leon Adams同意赛灵思的判断，但是他表示，考虑到BDTI基准测试研究范围的局限性，因此他对测试结果并不感到吃惊。“OFDM本质上是高度并行的，”Adams指出，“所以，同样在本质上高度并行的FPGA在基准测试中拔得头筹并不足为奇。”
“在高端通信设备中，你仍将看到人们采用DSP，并辅以ASIC和FPGA;”他指出，“而在市场终端，你将看到许多专用DSP，而FPGA则要少得多。”
理性看待问题的另一面
但显然，不同技术之间仍存在各种折衷，这也使得一些人相信，在可预见的未来，设计人员将继续面对芯片选型所带来的挑战。例如，固定功能的ASIC和ASSP，一般能得到高于FPGA的吞吐量和性价比，但这些优势却是以其它方面的重大损失为代价的。”BDTI报告指出。
FPGA的关键优势，就在于其灵活性，以及开发者能够根据特定应用对其进行配置。“在能从并行处理获益的应用中，高性能FPGA每个时钟周期能完成更多工作。”BDTI报告显示。
但是，尽管FPGA具备灵活优势，许多DSP工程师却并不熟悉面向DSP的FPGA，他们倾向于选择更传统的技术方案。”该报告指出。或许，一个更大的难题，是在器件性能和应用开发之间做权衡。
“FPGA更难以使用，因为它有一套不同的设计和技巧。”Bier解释道，“在FPGA上创建一个优化应用是个费时的过程。”
为了提升FPGA的吸引力以及易用性，FPGA厂商最近将精力投入在开发几项关键技术上，即：高层工具、模块库和以处理器为中心的设计。的确，尤其是FPGA工具正在取得长足进展。“这意味着，在今后几年，当前横亘在FPGA和DSP之间（且明显有利于DSP）的易用性差异将逐渐缩小。”该报告最后总结道。
虽然这些芯片技术在价格与性能方面各有优劣，但是FPGA供应商一直宣称：与复杂且昂贵的ASIC相比，它们提供的产品在多个方面都更胜一筹，例如具有更快的产品上市速度，以及更多的设计灵活性。然而截至目前，在与DSP的竞争中，人们却普遍认为，FPGA在性价比方面的表现远不如DSP。
不过，技术咨询公司Berkeley Design Technology（BDTI）一项最新但是具有争议性的基准测试研究结果显示，在多个意义重大的DSP应用中，FPGA的性价比优势可能超越了独立DSP。
“特别地，在诸如高端通信基础设施等包含大量并行运算、且对性能要求极高的应用中，FPGA较独立DSP更合适。”BDTI创始人兼总裁Jeff Bier表示，“FPGA将在DSP应用中扮演越来越重要的角色。”
这份报告既详细又措辞微妙，它指出，FPGA不会在一夜之间彻底颠覆现有格局。Bier极力强调，对许多高端电信应用及其它应用来说，FPGA仍将与系统内已有的器件共存，这些器件包括ASSP、ASIC、DSP、通用处理器等。但根据BDTI的研究，仍有迹象表明，传统上与高成本联系在一起的FPGA，实际上在某些设计应用中比DSP方案还便宜。
这项名为“FPGA与DSP”的研究，包括以BDTI专有的正交频分复用（OFDM）基准技术为基础，在以电信应用为导向的高端任务中，选择DSP和FPGA，对其相关性能与效率进行测试。该OFDM基准被用来描述在数字用户线（DSL）系统、有线调制解调器和无线产品中出现的信号处理类型。
“当你处在类似多信道OFDM接收机这样一个对性能要求苛刻的环境中时，换成FPGA能得到很好的结果。”Bier表示。
在各种具有“经济效益”的中端器件间进行测试（或竞赛），结果显示FPGA的性能明显超出DSP——至少是基于这项基准的情况下。另外，BDTI的报告还显示，赛灵思公司的中端Virtex-4 SX25系列FPGA，性能也超过了Altera的Stratix II 2S15系列FPGA，以及TI的TMS320C6410 DSP和飞思卡尔的MSC8144 DSP。
基准测试结果对具体芯片能支持的信道数以及相应的每信道成本进行了比较。
BDTI基准测试中，FPGA性能胜出竞争对手DSP。
Bier指出，高性能DSP的售价一般在30-200美元之间，在基准测试中的DSP能处理大约4条信道。对应于最高价格200美元，它相当于50美元/信道。而研究中采用的成本高达200美元的高端FPGA，能实现20-40条基准接收器信道（一些固定的乘法器被内置于FPGA架构内，而且一些附加的乘法器还可以被设计进FPGA逻辑结构）。这相当于FPGA的每信道成本可低至6美元，Bier强调。
设计师因而能以较低的时钟频率（在FPGA上约为250MHz）实现更多的乘法器。“从而使FPGA的每秒钟吞吐量比DSP高一个数量级。”他表示。
测试结果指出，赛灵思器件的相对等级为34，Altera为17，而TI则为1。飞思卡尔的器件也参与了评估，但是没有给出相对等级。
结果出人意料？
换句话说，按BDTI的基准，赛灵思FPGA的成本效益是TI DSP的34倍，这样的结果使众多分析人士大跌眼镜。“太令人震惊了！”分析师Satya Chillara表示，“站在频率角度上，我之前从不认为FPGA会超越DSP。”Chillara是美国投资银行Pacific Growth Equities公司的分析师，负责跟踪研究Altera、TI、赛灵思和其它芯片厂商。
飞思卡尔和Altera拒绝对该报告发表任何评论，FPGA巨头赛灵思则欢呼胜利。“当对不同FPGA公司的竞争平台进行对比时，性能测试结果能够说明一切。”赛灵思处理方案部的副总裁兼总经理Omid Tahernia表示。
Tahernia也指出，在高端系统中，FPGA和DSP仍存在一定程度的互补性。“真正的竞争仍在FPGA和ASIC之间。”他补充道。
“我们正在从ASIC市场夺取份额吗？是的，没错。”Tahernia说。
TI的DSP产品全球营销经理Leon Adams同意赛灵思的判断，但是他表示，考虑到BDTI基准测试研究范围的局限性，因此他对测试结果并不感到吃惊。“OFDM本质上是高度并行的，”Adams指出，“所以，同样在本质上高度并行的FPGA在基准测试中拔得头筹并不足为奇。”
“在高端通信设备中，你仍将看到人们采用DSP，并辅以ASIC和FPGA;”他指出，“而在市场终端，你将看到许多专用DSP，而FPGA则要少得多。”
理性看待问题的另一面
但显然，不同技术之间仍存在各种折衷，这也使得一些人相信，在可预见的未来，设计人员将继续面对芯片选型所带来的挑战。例如，固定功能的ASIC和ASSP，一般能得到高于FPGA的吞吐量和性价比，但这些优势却是以其它方面的重大损失为代价的。”BDTI报告指出。
FPGA的关键优势，就在于其灵活性，以及开发者能够根据特定应用对其进行配置。“在能从并行处理获益的应用中，高性能FPGA每个时钟周期能完成更多工作。”BDTI报告显示。
但是，尽管FPGA具备灵活优势，许多DSP工程师却并不熟悉面向DSP的FPGA，他们倾向于选择更传统的技术方案。”该报告指出。或许，一个更大的难题，是在器件性能和应用开发之间做权衡。
“FPGA更难以使用，因为它有一套不同的设计和技巧。”Bier解释道，“在FPGA上创建一个优化应用是个费时的过程。”
为了提升FPGA的吸引力以及易用性，FPGA厂商最近将精力投入在开发几项关键技术上，即：高层工具、模块库和以处理器为中心的设计。的确，尤其是FPGA工具正在取得长足进展。“这意味着，在今后几年，当前横亘在FPGA和DSP之间（且明显有利于DSP）的易用性差异将逐渐缩小。”该报告最后总结道。
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