allofcar 2008-3-27 00:33
FPGA与DSP：竞争还是竞合？
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)。
[align=center][img=350,323]http://image.mcuol.com/News/080326164940370.jpg[/img][/align] [b] 变化：FPGA开始行使DSP“职能”[/b]
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。
[b]争斗：FPGA能否真的取代DSP？[/b]
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。
[b]出路：结合需求并用FPGA与DSP [/b]
在实际应用中，是选择FGPA还是DSP，这要取决于实际应用，以满足客户需求为目的。
记者了解到，任何给定的技术中都有多种方法可以实现信号处理算法。算法步骤常常受到目标硬件的影响。当目标是异构DSP硬件平台时，实现方法的选择就成了一个二步过程。您必须首先选择最合适的硬件器件，然后再确定哪种实现方法适合该器件。在可重新配置的DSP硬件平台上，数字信号处理器DSP将作为主处理单元并且控制FPGA。而FPGA则用作协处理器（其中，数据传入DSP处理器进行同步，然后传出），或者用作预处理器或后处理器（其中，数据从高速接口传入）。FPGA的最佳用法取决于系统数据速率、格式和运行参数。这也是告诉电子设计工程师们，在你的应用设计方案中，可充分利用FPGA和DSP的强强结合，去创建更多的新兴应用。
为此，吴晓东举例说，Xilinx和TI一直是很好的合作伙伴，在诸多的应用中，Xilinx的FPGA器件为TI的DSP作预处理和后处理器，这是因为FPGA协处理器可在软件与硬件加速之间实现最佳性价比平衡。例如，在高清监控系统中的应用，Xilinx的FPGA就为TI的C6446DSP作协处理器（见图2）。在很多新兴的应用中，这种组合，可使整个系统的成本、功耗和器件数降低50%左右。
[align=center][img=400,172]http://image.mcuol.com/News/080326164940601.jpg[/img][/align] 本刊记者曾采访过北京邮电大学的王勇博士，王博士说，我一直从事3G和4G通信器件的研究和开发工作，在3G中，通用的DSP就 能够满足要求了，但是在后3G和4G中，人们对通信的传输数据、图像处理等方面要求越来越高，这就对无线技术、带宽、数据处理能力等提出更高要求，传输速率要求能达到100Mbps~ 1Gbps。因此，光采用通用DSP是不能达到需求的。所以，我们在系统中采用赛灵思的Virtex-5 FPGA的DSP去实现复杂的信号处理。通过采用大量的FPGA去做复杂的数据处理，从而实现了更高的速率传输，达到符合国际通信标准的要求，也使我们的研发取得了成功。
由此我们认为，FPGA厂商很可能凭借并行处理的结构优势，开始在传统的DSP市场寻求新的商业机会，或许原先在FPGA、DSP、CPU产品之间划分的一些界限也会逐渐模糊，这可能会对芯片业界人士在产品架构平台设计思路上产生一定影响，业界将会涌现出更多的综合性技术应用。
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[b] 附文1：FPGA将触角伸向更多新兴应用市场 [/b]
Xilinx公司亚太区市场营销总监郑馨南说，十几年前，FPGA只是半导体行业应用中的一个配角。随着半导体工艺技术的提高，FPGA的功能大大提升，成本的下降、功耗的降低，产品开发周期的缩短等等优势，已让FPGA从幕后走向前台，唱起了主角，成为新兴应用市场的台柱子。
Xilinx公司全球市场营销副总裁Sandeep Vij指出，目前，FPGA的应用领域完全摆脱了传统的通信领域而开始大规模向消费类等领域进军。Xilinx公司的FPGA业务已开始从传统的通信和网络向多元化应用市场以及网络边缘应用市场扩展，公司来自于传统产品的应用市场收入已从2001年的73%下降为2006年公司总收入的48%。而来自于消费类、汽车电子、工业和存储的新兴市场收入占到了52%”。Altera公司亚太区市场总监梁乐观也表示，“现在，我们60%的收入来自非通信类产品，其中的一半来自消费类电子产品，新兴消费类产品的增长率会长期超过两位数”。有关专家指出，消费电子和汽车电子将是FPGA产品成长最快的目标应用市场。
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[b]附文2：基于FGPA的DSP具备四大优势[/b]
FPGA填补了高性能应用对高性能DSP的需求与传统DSP处理器能够提供的性能之间巨大且不断增加的差距。是什么原因促使设计人员采用基于FPGA的DSP解决方案，大致可归纳四条最基本的原因：其一， 处理极高的计算工作量—— FPGA支持工程师设计高度并行的架构，因此可支持与时钟频率相同的采样速率。因此系统可以保持高达500MSps的高性能水平，适于构建超高速单通道系统或慢速率数百通道系统。其次， 从DSP处理器分流计算密集的任务，将宝贵的执行周期让给其它功能。第三是， 定制适用于特定算法的架构——FPGA提供的一系列MAC或乘法器可用于实现单抽头或多抽头的算法架构。
FPGA的可重配置特点意味着工程师可以快速构建和修改设计架构。最后一点是， 降低系统成本和功耗——FPGA支持集成其它组件（如Serial RapidIO 收发器、PCI Express接口、胶合逻辑以及低速率控制任务），因此可以降低总体系统成本和功耗。此外，与传统DSP器件相比，并行机制提供了一个至几个数量级的性能优势，因此对于同样的性能，可以在更低的频率下工作。更低的频率可降低MOPS/mW（功效的最关键指标）。
