FPGA与DSP:竞争还是竞合?

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        以前大家一谈到FPGA的市场变数,可能就是指它与ASIC的关系,而现在我们发现业界人士再谈FPGA的变化,更多的则是意指它与DSP技术之间的博弈。

       FPGA在成本、功耗、架构上创造出新的优势,由此为其在很多原先未曾涉足的新兴市场打开局面,而这些应用市场,恰恰是通用DSP技术已经占据的舞台(见图1)。

 

图1可编程解决方案趋势

  变化:FPGA开始行使DSP“职能”

  Xilinx、Altera和Lattice公司最近推出的多款芯片都打破了FPGA原有的旧标准,在通信、消费类、嵌入式等领域,这些FPGA开始行使起DSP的“职能”,并通过嵌入处理器核取代MCU一些应用。

  今年初,Xilinx向市场交付了针对高性能数字信号处理(DSP)而优化的65 nm Virtex-5 SXT现场可编程门阵列(FPGA)器件,最高DSP性能达到352 GMAC(每秒十亿次乘法累计),192个~660个专用18X25位DSP Sli-ces。2个月之后,该公司又推出低成本 Spartan-DSP 系列新型Xtreme  DSP组合。Xilinx公司中国区运营总经理吴晓东介绍说,新款Spartan-3A DSP平台的两款器件3SD3400A和3SD1800A分别可以提供超过30 GMAC/2200 Gbps存储器带宽和20 GMAC/1500 Gbps存储器带宽。与同类的其它高性能可配置DSP器件相比,动态功耗降低多达50%,而价格不到30美元。Spartan-3A DSP架构的核心是新的成本优化的XtremeDSP逻辑片 (DSP48A),可支持设计人员实现许多独立的算法功能。该架构还支持将多个DSP48A逻辑片连接起来完成宽输入数学运算功能、DSP滤波器以及复杂算术功能,不需要使用通用逻辑构造资源。因此可以降低功耗,提供极高性能并可高效率地利用硅片面积和资源。

  Xilinx公司亚太区市场营销总监郑馨南表示,新推出Spartan-DSP系列之后,XtremeDSP产品线就有了三个针对DSP优化的平台。Spartan-3A DSP是一款成本效益最高的器件,专门针对无线、视频和消费应用而优化,这与性能更高的Virtex-DSP系列形成互补,相得益彰。Virtex-DSP系列中的Virtex-4 SX和Virtex-5 SXT平台瞄准的是高端应用,如无线基站和包括监控、广播以及3D医疗图像在内的高分辨率视频应用。

  与此同时,Altera公司也推出了65nm低成本Cyclone III系列FPGA产品,Altera广播、汽车电子及消费电子业务部副总裁Tim Colleran说,Cyclone III能提供丰富的逻辑、存储器和DSP功能,它含有288个数字信号处理(DSP)乘法器,其性能可达到260MHz,存储器能达到4MB,适合于宽带并行处理应用。而功耗与上一代90nm Cyclone II系列FPGA相比降低了50%。Tim Colleran表示,目前已有250多家客户在大量应用中采用了Cyclone III FPGA进行设计,应用领域涵盖在消费类、汽车电子、无线基站以及图像和视频处理等。Tim Colleran特别强调,由于Cyclone III器件含有丰富的存储器和DSP,大大扩展了FPGA的应用空间。例如,在软件无线电(SDR)、视频编码、无线以及全球定位系统(GPS)应用中都可替代DSP的职能,或在Pico BTS应用中替代ASIC(见附文1:FPGA将触角伸向更多新兴应用市场 )。Tim Colleran表示,相比DSP,FPGA最大的优势是并行处理,在同一时间处理大量不同的任务,因而在涉及到复杂计算时可把DSP的一些任务卸载到FPGA中处理。

  争斗:FPGA能否真的取代DSP?

  尽管FPGA与DSP之争闹得沸沸扬扬,从FPGA厂家推出的产品,也使人们看到了FPGA的技术进步带来了前所未有的价值和应用空间。但不可否认的是,业内专家普遍认为,FPGA和DSP是互补和并存的关系,只有将FPGA和DSP各自的力量结合在一起才是一个最精妙、最优化的解决方案。

  据市场调研公司Forward Concepts的调研显示,选择处理器和FPGA的主要标准不是器件本身,而是开发它们的工具。这一概念对于包含FPGA和DSP处理器的平台亦应成立。在DSP处理器和FPGA之间,传统的DSP开发者通常会主动选择前者,这是因为设计流程是已知的,而异构系统的优点则难于评价。可重新配置的硬件平台限制了硬件自由度,而设计流程具有较高的自动化程度。这种自动化排除了设计的复杂性,从而在DSP设计界进一步推动了硬件解决方案的优势。

  据了解,FPGA和DSP处理器具有截然不同的架构。在一种器件上非常有效的算法,在另一种器件上却可能效率非常低。如果目标应用要求大量的并行处理或最大的多通道流量,那么单纯基于DSP处理器的硬件系统就可能需要更大的面积、成本或功耗。一个FPGA协处理器仅在一个器件上就能提供多达550个并行乘法和累加运算,从而以较少的器件和较低的功耗为许多应用提供同样的性能(见附文2:基于FGPA的DSP具备四大优势)。也有业内专家认为,尽管FPGA在处理大量并行数据方面出类拔萃,但对于定期系数更新、决策控制任务或高速串行数学运算这类任务来说,它们的优化程度比不上DSP处理器。因此,FPGA和DSP处理器的结合为广泛的应用提供了制胜的解决方案。

       面对FPGA正从外围逻辑应用进入到信号处理系统核心并威胁到传统DSP应用领域,TI首席科学家方进的看法是,在小批量应用中的大部分情况下FPGA和DSP都是互补的,但到了大批量生产阶段,可编程DSP方案提供了通往量产的最佳途径,可通过增加高性能硬件加速器取代FPGA。方进以TI达芬奇和OMAP平台为例表示,FPGA通常会把用户引到ASIC或者专用芯片的开发思路上,而DSP或可编程方案的做法是,增加一些高性能硬件加速器实现固定功能,同时保持可编程性。现实情况是,由于成本和功耗等原因,在特别大量的应用中通常都没有FPGA,但可编程的DSP却是不可缺少的。总的来说,由于产品生命周期越来越短,通过软件手段实现更多的功能应是设计者的主要思路。

  由于FPGA技术的快速提升,功耗及成本的逐步下降,同一片FPGA通过不同的编程数据产生不同的电路功能,使得FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等DSP传统应用领域也得到了更多的应用。已有FPGA厂商表示,随着功耗和成本的进一步降低并伴随着性能的提升,FPGA还将进入更多的应用领域。方进认为,由于成本越来越高使得纯ASIC供应商已经越来越少,因此从FPGA到ASIC之路不会一帆风顺。不过,FPGA的应用领域在不断拓宽却是事实。

  德州仪器(TI)(上海)有限公司DSP业务发展经理郑小龙也表示,DSP是属于软件可编程,因此更具有通用、灵活性,以及极易升级,甚至是现场或通过网络进行升级。而FPGA属于硬件可编程,固然在进行部分功能上更直接,但对于完整系统的实现尚有不足,特别是针对DSP中的嵌入式实时的系统应用。对于大规模量产,在系统成本方面FPGA往往不具有优势。另外,在第三方算法软件以及开发调试方面,DSP具有更广泛的支持资源。

  Tim Colleran认为,未来FPGA和DSP更多是协处理关系,FPGA和DSP都有广阔的应用空间,因为DSP和FPGA在可编程、可以重用和算法升级方面有共通性,可以使用DSP或FPGA实现更低功耗和更高性能。

  吴晓东分析说,从DSP发展趋势可以看到,早年只需微处理器和微控制器解决的问题,随着无线电波段的需求驱动,必须要用DSP的功能来解决。但三网合一后,对计算的复杂度要求越来越高,这时仅靠DSP又难以承担,相比DSP,FPGA最大的优势是并行处理,在同一时间能处理大量不同的任务,因而在涉及到复杂计算时可把DSP的一些任务卸载到FPGA中处理。因此,Xilinx在Virtex-4和Virtex-5产品中大大加强DSP的功能,在信号处理系统中,FPGA和DSP可共同实现系统逻辑复用及合并、实现新外设或总线接口以及信号处理链中的性能加速。

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