經(jīng)過(guò)20多年的努力后,，在工藝技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)需求的推動(dòng)下,，“大器晚成”的FPGA終于從外圍邏輯應(yīng)用進(jìn)入到信號(hào)處理系統(tǒng)核心。在多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合擊敗ASIC后,，現(xiàn)在FPGA廠商又開(kāi)始將目光瞄向了一向是親密戰(zhàn)友的DSP陣營(yíng),。

20億美元的新興高性能信號(hào)處理市場(chǎng)吸引了眾多供應(yīng)商目光,。

同屬可編程處理平臺(tái)，盡管FPGA和DSP芯片供應(yīng)商表面上惺惺相惜,，但面對(duì)20億美元的新興高性能信號(hào)處理市場(chǎng),，他們的暗戰(zhàn)已經(jīng)開(kāi)始。前者將DSP功能從高端FPGA平臺(tái)擴(kuò)展到了低成本FPGA,，并加強(qiáng)了相關(guān)開(kāi)發(fā)工具,，希望在復(fù)雜算法和大量并行處理中補(bǔ)充甚至完全替代DSP，從DSP應(yīng)用中的配角變成主角,；而后者則通過(guò)集成ASIC的DSPSoC和多核DSP提升處理能力,，目的也是減少FPGA和ASIC的使用，捍衛(wèi)DSP的主角地位,。此外,，一些初創(chuàng)公司也在開(kāi)發(fā)并行陣列處理器，宣稱(chēng)能在單芯片上以相對(duì)較低的時(shí)鐘頻率和功耗獲得“前所未有的DSP性能”,。

FPGA渴望“修成正果”

盡管FPGA和DSP一樣擁有20多年的歷史,，但和DSP早早成名相比，F(xiàn)PGA由于成本,、功耗和性能限制,，一直在系統(tǒng)外圍暗自發(fā)力，從初用于膠合邏輯,，到用于控制邏輯,，再到用于數(shù)據(jù)通路,，艱難地接近系統(tǒng)核心。傳統(tǒng)上,，F(xiàn)PGA被用作DSP解決方案中所需要的系統(tǒng)邏輯,、多路處理及合并，或是多I/O接口,。

進(jìn)入21世紀(jì)后,，F(xiàn)PGA終于迎來(lái)了“修成正果”、與CPU,、DSP并列于系統(tǒng)核心的好機(jī)會(huì)：一方面,，隨著90和65納米工藝的采用，F(xiàn)PGA在成本,、功耗和性能上大幅改善,，具備成為系統(tǒng)核心的條件；另一方面,，三網(wǎng)合一(Tri-play)和融合時(shí)代來(lái)臨,，要求復(fù)雜和大量并行處理，DSP在做并行處理時(shí)不如FPGA,，這為具有強(qiáng)大并行處理能力的FPGA帶來(lái)了需求,。

正是因?yàn)槿绱耍瑥?0納米開(kāi)始,，F(xiàn)PGA巨頭們就爭(zhēng)相推出面向DSP應(yīng)用優(yōu)化的高端FPGA平臺(tái),，并在65納米FPGA中進(jìn)一步增強(qiáng)了DSP功能。例如,，賽靈思面向DSP應(yīng)用的XtremeDSP產(chǎn)品線包括高端的Virtex-4SX和Virtex-5SXT,，不久前又推出了低成本Spartan-3ADSP系列，而Altera的StratixII和StratixIII,，以及65納米低成本CycloneIII系列同樣強(qiáng)調(diào)DSP應(yīng)用,。他們的高端FPGA平臺(tái)，瞄準(zhǔn)的是高端通信和視頻應(yīng)用,，如無(wú)線基站和包括監(jiān)控,、廣播以及3D醫(yī)療圖像在內(nèi)的高分辨率視頻應(yīng)用；低端平臺(tái)則定位于大量對(duì)價(jià)格和功耗都很敏感的應(yīng)用,，包括微蜂窩基站,、軍用移動(dòng)軟件定義無(wú)線電、超聲系統(tǒng),、輔助駕駛/多媒體系統(tǒng),、高清視頻以及智能IP相機(jī)等——這些也都是傳統(tǒng)DSP芯片看重的新興應(yīng)用。


賽靈思公司中國(guó)區(qū)運(yùn)營(yíng)總經(jīng)理吳曉東強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“為什么會(huì)用FPGA做DSP應(yīng)用呢,？DSP表示的是數(shù)字信號(hào)處理,，并不代表DSP芯片,，實(shí)際上數(shù)字信號(hào)處理有很多不同實(shí)現(xiàn)方法，可以用DSP芯片,，也可以是MCU,，還可以是FPGA和ASIC作數(shù)字信號(hào)處理。事實(shí)上,，由于FPGA是一個(gè)天生的并行處理結(jié)構(gòu),，因此在進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算時(shí)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)DSP芯片。”

賽靈思亞太區(qū)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)董事鄭馨南表示,，過(guò)去20年里算法復(fù)雜性快速提升是推動(dòng)FPGA進(jìn)入DSP應(yīng)用的重要市場(chǎng)動(dòng)力,。他以通信領(lǐng)域?yàn)槔仡橠SP應(yīng)用歷史說(shuō)，20世紀(jì)70年代,，DSP應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力為語(yǔ)音頻帶,，性能需求的數(shù)量級(jí)為“KHz”，微處理器和MCU可以滿足需求,；20世紀(jì)80,、90年代，無(wú)線電為DSP應(yīng)用驅(qū)動(dòng)力,，性能需求為“MHz”級(jí)，DSP獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷,；而進(jìn)入21世紀(jì),，三網(wǎng)合一(Tri-play)要求非常復(fù)雜的處理，只有DSP+FPGA才能夠滿足需求,。

吳曉東進(jìn)一步解釋說(shuō),，傳統(tǒng)DSP芯片是實(shí)時(shí)信號(hào)處理的佳答案，但它畢竟是一個(gè)串行結(jié)構(gòu),，進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算時(shí)可能來(lái)回循環(huán)幾百次,，因此速度反而不是很快，單個(gè)DSP處理器很難滿足5GMACS以上性能需求,；而FPGA是天生的并行處理結(jié)構(gòu),，包含了幾百個(gè)MAC單元，因此性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)DSP芯片,，例如我們的Virtex-5SXTFPGA在550MHz下性能可達(dá)550MSPS,；而主頻為1GHz的DSP性能只能達(dá)到8MSPS。他總結(jié)說(shuō)：“由于FPGA可以彌補(bǔ)DSP芯片的不足,，在信號(hào)處理系統(tǒng)中FPGA與DSP相得益彰,。”他一再?gòu)?qiáng)調(diào)FPGA不是要與DSP直接競(jìng)爭(zhēng)，“我們現(xiàn)在更多的還是互補(bǔ)的關(guān)系,。”

他舉例說(shuō),，以前視頻監(jiān)控應(yīng)用的通道數(shù)不多,，對(duì)圖像質(zhì)量和實(shí)時(shí)性等也要求不高，很少有人用FPGA,；但是隨著監(jiān)控由標(biāo)清轉(zhuǎn)向高清,，從單通道轉(zhuǎn)到八通道，從非實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)到對(duì)實(shí)時(shí)的要求,，外加人臉識(shí)別和運(yùn)動(dòng)估計(jì)等分析功能,，普通DSP就很難實(shí)現(xiàn)，需要多片DSP來(lái)一起處理,，成本十分昂貴,。而用DSP+FPGA的方式則十分完美，可以大大節(jié)省成本,。其中,，F(xiàn)PGA用于加速實(shí)時(shí)視頻處理和壓縮，而DSP運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和第三方分析軟件,。

對(duì)于另一個(gè)目前的大熱市場(chǎng),，3G和WiMAX基站，他則表示可利用FPGA的并行處理能力來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字上下變頻器,，因?yàn)閷?duì)于需要多載波的數(shù)字變頻器,，并行的FPGA是好地選擇；而DSP則適合于變頻后的符號(hào)率處理,。

但是,，DSP廠商絕不會(huì)只滿足于僅做后端的符號(hào)處理，比如TI早就推出針對(duì)數(shù)字上下變頻的產(chǎn)品,。

另一邊,，賽靈思實(shí)際上也并不滿足于協(xié)處理器的位置。在其代理商安富利前不久舉辦的“安富利與賽靈思技術(shù)研討會(huì)”上,，安富利展示的一些視頻應(yīng)用已完全將FPGA作為主芯片,，并不是協(xié)處理器來(lái)使用。作為賽靈思主要的方案推廣商,，這也暗示了FPGA未來(lái)要走的路,。

DSP陣營(yíng)捍衛(wèi)主角地位

對(duì)于來(lái)自戰(zhàn)友的挑戰(zhàn)，DSP廠商正在通過(guò)集成ASIC+DSP的SoC(系統(tǒng)級(jí)芯片)和多核DSP提升處理能力,，目的也是減少FPGA和ASIC的使用,，捍衛(wèi)自己的主角地位。


對(duì)于FPGA作為協(xié)處理器的觀點(diǎn),，TI中國(guó)區(qū)通用DSP業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理鄭小龍也表示認(rèn)同,，他指出：“在需要高級(jí)別并行處理的情況下FPGA是一種選擇，也是FPGA適合的場(chǎng)合。在高性能和多通道應(yīng)用中采用DSP+FPGA往往更能勝任,，而不是單獨(dú)采用其中某一種平臺(tái),。有了可編程DSP，大多系統(tǒng)控制,、排序化處理,、用戶功能化和信號(hào)處理可在DSP上運(yùn)行。如果要加快并行處理,，采用FPGA就理所當(dāng)然,。”

但鄭小龍同時(shí)指出，當(dāng)某個(gè)應(yīng)用中FPGA實(shí)現(xiàn)的并行加速處理達(dá)到一定市場(chǎng)規(guī)模而足以進(jìn)行專(zhuān)用集成時(shí),，TI會(huì)將硬件加速器集成到DSP中去,，這樣可以比外掛FPGA在獲得同樣性能的前提下價(jià)格和功耗保持在一個(gè)較低的水平。他解釋說(shuō)：“雖然FPGA能提高信號(hào)處理鏈路的速度,，但隨著技術(shù)成熟,，這些功能可以以較低成本集成到DSP處理器中，比外加一個(gè)芯片效率更高,。因此,，對(duì)于那些特定應(yīng)用，DSP將提供更優(yōu)異的解決方案,。

另外,，TI還通過(guò)多核DSP提升性能。一個(gè)典型的例子就是,，TI不久前針對(duì)WCDMA基站推出了高集成度的TCI6?88,，它采用3個(gè)1GHzDSP核，能夠在單芯片上支持宏基站所需的所有基帶功能,，無(wú)需FPGA、ASIC及其它橋接器件,。這是因?yàn)門(mén)CI6?88中已經(jīng)包含了WCDMA系統(tǒng)處理所需的專(zhuān)用協(xié)處理器,，例如傳統(tǒng)DSP中沒(méi)有的Viterbi(VCP2)與Turbo(TCP2)協(xié)處理器——過(guò)去它們或采用FPGA/ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)，或要靠DSP核來(lái)解決,，這就需要增加額外的DSP,。TCI6?88還具有典型DSP所沒(méi)有的多種外設(shè)，如新興的高速天線接口OBSAI/CPRI,，而其它沒(méi)有這種接口的器件必須采用一個(gè)FPGA或ASIC管理協(xié)議轉(zhuǎn)換,。此外，如果一個(gè)系統(tǒng)需要規(guī)模擴(kuò)展到去支持更多的用戶,，TCI6?88還可以通過(guò)采用RapidIO接口或者外設(shè)去實(shí)現(xiàn)互連,。鄭小龍總結(jié)說(shuō)：“TCI6?88是一個(gè)三核DSP，它具有很大的處理能力去支持多種多樣的基帶處理，無(wú)需ASIC/FPGA參與,。”

他還強(qiáng)調(diào)說(shuō),，單核DSP同樣可以取代DSP+FPGA/ASIC方案，只是單核DSPSOC只可以支持有限數(shù)量的用戶,，而多核DSP則能夠支持更多用戶和更多功能,。鄭小龍指出：“只要DPS具有恰當(dāng)?shù)耐庠O(shè)、協(xié)處理器和處理速度(MIPS)去有效實(shí)現(xiàn)所需的功能,，它就可以成為SoC,。在一些情況下，處理需求受到現(xiàn)行技術(shù)的限制,，就必須考慮多核,，例如TCI6?88具有總計(jì)3GHz性能來(lái)滿足指定需求，而單個(gè)的3GHz核在當(dāng)今還不能實(shí)現(xiàn),，所以就要采用多核,。”

其實(shí)，吳曉東也坦承FPGA和DSP雖然不是替代關(guān)系,，但也存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,，尤其是Spartan-3ADSP這種低成本FPGA開(kāi)始覆蓋更廣闊的DSP應(yīng)用(1-30GMACS性能范圍)，與DSP的競(jìng)爭(zhēng)難免,。他表示：“目前趨勢(shì)是一個(gè)往下走(FPGA),，一個(gè)往上走(DSP)，雙方都為了彌補(bǔ)性能上的鴻溝,，都是為了更好滿足市場(chǎng)需求,，終的抉擇取決于客戶和應(yīng)用。”吳曉東指出,，很難為客戶選擇DSP還是FPGA劃定一個(gè)明顯的界限,，目前看來(lái)5GMACS以下普通DSP容易實(shí)現(xiàn)，5GMACS以上可能就需要多片DSP去處理,，這時(shí)候FPGA更有優(yōu)勢(shì),。

而作為信號(hào)處理的傳統(tǒng)主導(dǎo)者，TI則認(rèn)為未來(lái)DSP將繼續(xù)是用戶的,。鄭小龍表示,，高速數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理是DSP和FPGA所共同面對(duì)的應(yīng)用，兩者都屬于可編程處理平臺(tái),，但實(shí)現(xiàn)的方法卻大相徑庭,，DSP采用軟件編程，而FPGA則借助硬件編程手段,。當(dāng)一個(gè)軟件可編程DSP被用于承擔(dān)任何一種處理負(fù)載時(shí),，它就可以成為優(yōu)選的平臺(tái),，因?yàn)橄啾绕渌幚砥鳎珼SP可以在較低的成本下同時(shí)具有好的性能和功耗,。他強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“通過(guò)在DSP平臺(tái)上持續(xù)發(fā)展多種多樣的外設(shè),、嵌入式軟件、加速器和協(xié)處理器,，TIDSP將持續(xù)保持作為今天和未來(lái)實(shí)時(shí)應(yīng)用中優(yōu)選系統(tǒng)構(gòu)架的地位,。”

但是，吳曉東也表示,，他們通過(guò)將XtremeDSP核固化后,，可以將功耗大大降低，且在實(shí)現(xiàn)MAC功能時(shí),，比DSP具有更低的成本,。比如通過(guò)Spartan-3A可實(shí)現(xiàn)性能超過(guò)20GMACS，但成本不到30美元的方案,。

高性能DSP處理器未來(lái)的發(fā)展方向

在TI看來(lái),，多核和SoC是高性能DSP未來(lái)的發(fā)展方向。鄭小龍介紹說(shuō),，TI對(duì)高性能DSP的展望包括增強(qiáng)靈活的協(xié)處理器,，與單核或多核DSP協(xié)作。這些下一代的DSP將整合許多現(xiàn)在所使用的ASIC類(lèi)型功能,，還將支持更多特性和性能,，并有能力運(yùn)行在更高速度以支持更多的數(shù)據(jù)吞吐量。通過(guò)性能提升,，DSP在目前采用CPU或ASIC的應(yīng)用領(lǐng)域中更有優(yōu)勢(shì)——部分地取代任何一種,。事實(shí)上，在大眾市場(chǎng)上,，TI已經(jīng)有DSP和CPU相結(jié)合的產(chǎn)品推上市場(chǎng),，也就是已經(jīng)量產(chǎn)的“達(dá)芬奇(DavVinci)”系列產(chǎn)品。

在多核DSP方面,，目前的TI多核產(chǎn)品設(shè)計(jì)為滿足不同細(xì)分市場(chǎng)的不同需求,。TCI6?88目標(biāo)是無(wú)線基站處理市場(chǎng)；TNETV3020針對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的高密度語(yǔ)音市場(chǎng),。前者采用3個(gè)1GHzDSP核，后者則采用了6個(gè)500MHzDSP核,。

不過(guò)與TI,、飛思卡爾等廠商的多核DSP策略有所不同的是，許多初創(chuàng)公司正在開(kāi)發(fā)并行陣列處理器芯片,，宣稱(chēng)能在單一芯片上以相對(duì)較低的時(shí)鐘頻率和功耗獲得“前所未有的DSP性能”,。

例如，新興基站芯片廠商PicoChip的多核DSP——picoArray處理器是一種粗粒度的超大規(guī)模并行異構(gòu)16位處理器陣列，其運(yùn)算和通信資源是靜態(tài)分配的,。它含有322個(gè)處理單元,，在160MHz的主頻下能提供200GMIPS和40GMACS的性能，據(jù)稱(chēng)性價(jià)比或功率/性能比至少是其它架構(gòu)(無(wú)論是DSP還是FPGA)的10倍,，可取代含有多個(gè)DSP,、FPGA及通用控制器的混合架構(gòu)體系,，適用于3G/4G和WiMax基站,，并且能夠?qū)崿F(xiàn)“軟件無(wú)線電”,。

但TI表示,，這種如此龐大的并行架構(gòu)應(yīng)用非常有限,，而且存在固有缺陷,，因此TI沒(méi)有去開(kāi)發(fā)這種產(chǎn)品,。鄭小龍解釋說(shuō)：“將數(shù)以百計(jì)的DSP核放到一個(gè)芯片上完全可能,，TI目前并沒(méi)有追求這種類(lèi)型的大規(guī)模并行架構(gòu),，其原因在于這種產(chǎn)品的局限性,。例如一個(gè)客戶所需要運(yùn)行的應(yīng)用必須有益于這樣一種架構(gòu)，而由集成上百個(gè)DSP所帶來(lái)的固有挑戰(zhàn)在于三個(gè)方面,，一是存儲(chǔ)器的局限性,，如此多的核要有效運(yùn)行就需要一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器；二是當(dāng)上百個(gè)核都要去訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí),，提供平等的訪問(wèn)去共享如外設(shè),、板上和外部存儲(chǔ)器將很困難；三是在器件中有更多的核就會(huì)有更多的互連,，這將增加阻塞,。”

其實(shí)，這些新興處理器廠商面臨的更嚴(yán)重問(wèn)題是缺乏像DSP和FPGA這樣完善的軟件工具支持,，這才是新興處理器廠商進(jìn)入市場(chǎng)致命的挑戰(zhàn),。

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