最新FPGA的DSP性能介紹
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為什么會用FPGA做DSP？Xilinx中國區(qū)運營總經理吳曉東從DSP的概念上進行了分析：DSP表示數(shù)字信號處理器，也可以表示為數(shù)字信號處理—并不代表某一種芯片。實際上，數(shù)字信號處理有很多種不同的解決方法，可以用普通的數(shù)字信號處理器、MCU(微控制器)等實現(xiàn)，同樣，F(xiàn)PGA也可以做數(shù)字信號處理。當數(shù)字信號處理速度不斷提高時，F(xiàn)PGA的應用日益凸顯。即FPGA for DSP與DSP互為補充。
Altera亞太區(qū)市場渠道工程師王冬剛先生更進一步，甚至樂觀地預測，兩者不僅互為補充，F(xiàn)PGA可能會對當前的高端DSP形成競爭。他提出：傳統(tǒng)DSP正在面臨性能、功耗和面市時間的挑戰(zhàn)，特別是以下應用：下一代無線通信系統(tǒng)，高端消費類電子，多通道視頻系統(tǒng)。用FPGA實現(xiàn)DSP有兩大趨勢：其一，作為傳統(tǒng)DSP協(xié)處理，滿足系統(tǒng)設備對DSP超高性能的要求；其二，直接取代傳統(tǒng)DSP，滿足系統(tǒng)對功耗，成本和面市時間的超額要求。
圖1 不斷發(fā)展的DSP處理需求
FPGA做數(shù)字處理的特點是什么？對于普通的DSP，數(shù)字信號處理主要用一個單元，傳統(tǒng)的DSP處理器是一個高性能的數(shù)字處理器，里面包括一個高性能的單元可以運行到幾個GHz的速度，但是它僅僅是一個單元，當你做比較復雜的運算就可能來回循環(huán)幾百次才可以做完這個運算(圖2下)，因此它的速度反而并不很快。
圖2 為何FPGA用于DSP
FPGA是一個天生的并行處理結構，FPGA里包含了有幾百個單元，例如Xilinx Virtex-5 SXT是550MHz，但可以在一個單元之內迅速把這個復雜的運算一次完成(圖2上)，所以FPGA的性能實際上是遠遠高于傳統(tǒng)的DSP(圖3)。
圖3 DSP性能差距
根據(jù)令人信服的獨立第三方benchmark表明： Altera的器件具有10x/美元的DSP性能。應用FPGA協(xié)處理器的系統(tǒng)架
那么，用于DSP(數(shù)字信號處理)功能的FGPA與傳統(tǒng)的DSP(數(shù)字信號處理器)之間是什么關系？FPGA廠商認為：傳統(tǒng)的DSP是可編程的DSP，實際上是做信號處理理想的方案；但是隨著目前運算的越來越復雜，標準的變化，對于高清、多通道、實時要求越來越高，所以在應用他們方法處理過程中有一個性能空白的地方，而這個地方越來越多的用戶在用FPGA實施處理，所以可以認為FPGA和DSP是互為補充的，尤其體現(xiàn)在邏輯的復用和合并方面。
邏輯的復用和合并需要新的外設和不同帶寬總線實現(xiàn)的時候，這時用FPGA實現(xiàn)數(shù)字信號處理給工程師很大的靈活性，同時FPGA并行處理的能力強大，可幫助DSP做很多性能加速，以解決超負載的問題。這方面，FPGA廠商與TI有一種共識，雙方在很多方面是互為補充，共同給客戶提供一個更好的解決方案。
圖4 高性能DSP
FPGA的DSP的演進是這樣的：把邏輯固化編程為一個固化的乘法器，然后把它提升更高的階段，變成一個乘法累加單元(MAC)。為什么這樣呢？因為數(shù)字信號處理并不是簡單的乘法，在做數(shù)字信號處理的時候，會碰到很多乘和乘累加，還有比較、計數(shù)和矩陣運算等，如果這些都通過乘法器來做的話，需要信號處理的專家和熟悉FPGA的專家才可以做到。
FPGA的DSP的另一個優(yōu)勢是，可以保證能夠運行在250MHz以上，上限沒有給出，這取決于用戶，對一些有經驗的用戶可以運行到300MHz以上。但是對一個DSP設計人員，由于對FPGA不是很熟悉，也可以輕易運行到250MHz。
Xilinx 8款產品
Xilinx目前有8款FPGA的DSP。其中Sparten-3A DSP為低端產品，今年4月16日剛剛發(fā)布。高端的Virtex-DSP分為兩個產品線：Virtex-4 SX，采用65nm工藝的Virtex-5 SXT。
很多DSP工程師非常關心DSP的性能夠不夠高？所以Xilinx的產品從21最多到352個GMAC/s(千兆乘加/秒)，以提供不同范圍的性能，同時也增大在存儲器方面的帶寬。因此最低速產品可以運行到250MHz，高速產品運行到550MHz；MAC單元從84到640。
Altera的產品線
高密度Stratix III器件拓展FPGA的DSP性能。嵌入式DSP模塊運行在550Hz，這些器件可達到每秒492千兆乘加(GMAC)的性能，并結合良好的邏輯結構與速度優(yōu)化的互連。
低成本Cyclone III FPGA所提供的好處包括DSP性能、靈活性和更快的面市時間。廉價的Cyclone III ECP3C5擁有足夠的嵌入式乘法器和邏輯資源，可以在1080p高清晰度視頻上進行實時7×7像素過濾。Cyclone III是對成本敏感DSP應用的正確選擇。
對于量大的應用， Stratix II器件可以引腳完全兼容地移植到HardCopy II結構化ASIC，從而保證客戶的設計功能沒有任何改變。Altera的新一代結構化ASIC芯片，邏輯相當于多達220萬ASIC門，DSP模塊相當于額外的140萬門，還有集成超過8 Mbits的嵌入式存儲器。
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