ＦＰＧＡ的ＤＳＰ性能揭秘

“今天，FPGA越來越多地應用在多種DSP中。我們預計這一趨勢在未來幾年會更加明顯。”美國調查機構Berkeley設計技術公司做了上述預測。以Xilinx和Altera為主的兩大FPGA廠商多年前就涉足了DSP應用領域，近一、兩年，隨著3G通信、視頻成像等領域的發展，FPGA for DSP(FPGA的DSP)再次成為了熱點。

為什么會用FPGA做DSP?Xilinx中國區運營總經理吳曉東從DSP的概念上進行了分析：DSP表示數字信號處理器，也可以表示為數字信號處理一并不代表某一種芯片。實際上，數字信號處理有很多種不同的解決方法，可以用普通的數字信號處理器、MCU(微控制器)等實現，同樣，FPGA也可以做數字信號處理。當數字信號處理速度不斷提高時，FPGA的應用日益凸顯。即FPGA for DSP與DSP互為補充。

Altera亞太區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，FPGA可能會對當前的高端DSP形成競爭。他提出：傳統DSP正在面臨性能、功耗和面市時間的挑戰，特別是以下應用：下一代無線通信系統，高端消費類電子，多通道視頻系統。用FPGA實現DSP有兩大趨勢：其一，作為傳統DSP協處理，滿足系統設備對DSP超高性能的要求；其二，直接取代傳統DSP，滿足系統對功耗，成本和面市時間的超額要求。

FPGA做數字處理的特點是什么?對于普通的DSP，數字信號處理主要用一個單元，傳統的DSP處理器是一個高性能的數字處理器，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。

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-5SXT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的DSP。

根據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協處理器的系統架構可以卸載傳統DSP的工作負載，并且有效執行復雜的數學計算算法，提升DSP系統級效能。

那么，用于DSP(數字信號處理)功能的FGPA與傳統的DSP(數字信號處理器)之間是什么關系?FPGA廠商認為：傳統的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的時候，這時用FPGA實現數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。

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?因為數字信號處理并不是簡單的乘法，在做數字信號處理的時候，會碰到很多乘和乘累加，還有比較、計數和矩陣運算等，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。

Xilinx8款產品

Xilinx目前有8款FPGA的DSP。其中Sparten-3ADSP為低端產品，今年4月16日剛剛發布。高端的Virtex-DSP分為兩個產品線：Virtex-4SX，采用65nm工藝的Virtex-5SXT。

很多DSPI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StradxⅢ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化的互連。

低成本CycloneⅢFPGA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 ⅢECP3C5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。CycloneⅢ是對成本敏感DSP應用的正確選擇。

對于量大的應用，SwatixⅡ器件可以引腳完全兼容地移植到HardCopyⅡ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8Mbits的嵌入式存儲器。