經(jīng)過20多年的努力后，在工藝技術進步和市場需求的推動下，“大器晚成”的FPGA終于從外圍邏輯應用進入到信號處理系統(tǒng)核心。在多個應用場合擊敗ASIC后,，現(xiàn)在FPGA廠商又開始將目光瞄向了一向是親密戰(zhàn)友的DSP陣營,。

 

  20億美元的新興高性能信號處理市場吸引了眾多供應商目光,。

  同屬可編程處理平臺,，盡管FPGA和DSP芯片供應商表面上惺惺相惜,，但面對20億美元的新興高性能信號處理市場,，他們的暗戰(zhàn)已經(jīng)開始,。前者將DSP功能從高端FPGA平臺擴展到了低成本FPGA，并加強了相關開發(fā)工具,，希望在復雜算法和大量并行處理中補充甚至完全替代DSP,，從DSP應用中的配角變成主角；而后者則通過集成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)公司也在開發(fā)并行陣列處理器,，宣稱能在單芯片上以相對較低的時鐘頻率和功耗獲得“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,。

  進入21世紀后,，F(xiàn)PGA終于迎來了“修成正果”、與CPU,、DSP并列于系統(tǒng)核心的好機會：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)和融合時代來臨,，要求復雜和大量并行處理,，DSP在做并行處理時不如FPGA，這為具有強大并行處理能力的FPGA帶來了需求,。

  正是因為如此,，從90納米開始，F(xiàn)PGA巨頭們就爭相推出面向DSP應用優(yōu)化的高端FPGA平臺,，并在65納米FPGA中進一步增強了DSP功能,。例如，賽靈思面向DSP應用的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系列同樣強調DSP應用,。他們的高端FPGA平臺,，瞄準的是高端通信和視頻應用，如無線基站和包括監(jiān)控,、廣播以及3D醫(yī)療圖像在內的高分辨率視頻應用,；低端平臺則定位于大量對價格和功耗都很敏感的應用，包括微蜂窩基站,、軍用移動軟件定義無線電,、超聲系統(tǒng)、輔助駕駛/多媒體系統(tǒng),、高清視頻以及智能IP相機等——這些也都是傳統(tǒng)DSP芯片看重的新興應用,。

 
  賽靈思公司中國區(qū)運營總經(jīng)理吳曉東強調說：“為什么會用FPGA做DSP應用呢？DSP表示的是數(shù)字信號處理,，并不代表DSP芯片,，實際上數(shù)字信號處理有很多不同實現(xiàn)方法，可以用DSP芯片,，也可以是MCU,，還可以是FPGA和ASIC作數(shù)字信號處理。事實上,，由于FPGA是一個天生的并行處理結構,，因此在進行復雜計算時性能遠遠超過傳統(tǒng)DSP芯片。”

  賽靈思亞太區(qū)市場營銷董事鄭馨南表示,，過去20年里算法復雜性快速提升是推動FPGA進入DSP應用的重要市場動力,。他以通信領域為例回顧DSP應用歷史說，20世紀70年代,，DSP應用的驅動力為語音頻帶,，性能需求的數(shù)量級為“KHz”,，微處理器和MCU可以滿足需求；20世紀80,、90年代,，無線電為DSP應用驅動力，性能需求為“MHz”級,，DSP獨領風騷,；而進入21世紀，三網(wǎng)合一(Tri-play)要求非常復雜的處理,，只有DSP+FPGA才能夠滿足需求。

  吳曉東進一步解釋說,，傳統(tǒng)DSP芯片是實時信號處理的佳答案,，但它畢竟是一個串行結構，進行復雜運算時可能來回循環(huán)幾百次,，因此速度反而不是很快,，單個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構,，包含了幾百個MAC單元,，因此性能遠遠高于傳統(tǒng)DSP芯片，例如我們的Virtex-5SXTFPGA在550MHz下性能可達550MSPS,；而主頻為1GHz的DSP性能只能達到8MSPS,。他總結說：“由于FPGA可以彌補DSP芯片的不足，在信號處理系統(tǒng)中FPGA與DSP相得益彰,。”他一再強調FPGA不是要與DSP直接競爭,，“我們現(xiàn)在更多的還是互補的關系。”

  他舉例說,，以前視頻監(jiān)控應用的通道數(shù)不多,，對圖像質量和實時性等也要求不高，很少有人用FPGA,；但是隨著監(jiān)控由標清轉向高清,，從單通道轉到八通道，從非實時轉到對實時的要求,，外加人臉識別和運動估計等分析功能,，普通DSP就很難實現(xiàn)，需要多片DSP來一起處理,，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用于加速實時視頻處理和壓縮，而DSP運行實時操作系統(tǒng)和第三方分析軟件。

  對于另一個目前的大熱市場,，3G和WiMAX基站,，他則表示可利用FPGA的并行處理能力來設計數(shù)字上下變頻器，因為對于需要多載波的數(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率處理。

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

  另一邊,，賽靈思實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研討會”上，安富利展示的一些視頻應用已完全將FPGA作為主芯片,，并不是協(xié)處理器來使用,。作為賽靈思主要的方案推廣商，這也暗示了FPGA未來要走的路,。

  DSP陣營捍衛(wèi)主角地位

  對于來自戰(zhàn)友的挑戰(zhàn),，DSP廠商正在通過集成ASIC+DSP的SoC(系統(tǒng)級芯片)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,。

 
  對于FPGA作為協(xié)處理器的觀點，TI中國區(qū)通用DSP業(yè)務拓展經(jīng)理鄭小龍也表示認同,，他指出：“在需要高級別并行處理的情況下FPGA是一種選擇,，也是FPGA適合的場合。在高性能和多通道應用中采用DSP+FPGA往往更能勝任,，而不是單獨采用其中某一種平臺,。有了可編程DSP，大多系統(tǒng)控制,、排序化處理,、用戶功能化和信號處理可在DSP上運行。如果要加快并行處理,，采用FPGA就理所當然,。”

  但鄭小龍同時指出，當某個應用中FPGA實現(xiàn)的并行加速處理達到一定市場規(guī)模而足以進行專用集成時,，TI會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格和功耗保持在一個較低的水平。他解釋說：“雖然FPGA能提高信號處理鏈路的速度,，但隨著技術成熟,，這些功能可以以較低成本集成到DSP處理器中,，比外加一個芯片效率更高。因此,，對于那些特定應用,，DSP將提供更優(yōu)異的解決方案。

  另外,，TI還通過多核DSP提升性能,。一個典型的例子就是，TI不久前針對WCDMA基站推出了高集成度的TCI6?88,，它采用3個1GHzDSP核,，能夠在單芯片上支持宏基站所需的所有基帶功能，無需FPGA,、ASIC及其它橋接器件,。這是因為TCI6?88中已經(jīng)包含了WCDMA系統(tǒng)處理所需的專用協(xié)處理器，例如傳統(tǒng)DSP中沒有的Viterbi(VCP2)與Turbo(TCP2)協(xié)處理器——過去它們或采用FPGA/ASIC來實現(xiàn),，或要靠DSP核來解決，這就需要增加額外的DSP,。TCI6?88還具有典型DSP所沒有的多種外設,，如新興的高速天線接口OBSAI/CPRI，而其它沒有這種接口的器件必須采用一個FPGA或ASIC管理協(xié)議轉換,。此外,，如果一個系統(tǒng)需要規(guī)模擴展到去支持更多的用戶，TCI6?88還可以通過采用RapidIO接口或者外設去實現(xiàn)互連,。鄭小龍總結說：“TCI6?88是一個三核DSP,，它具有很大的處理能力去支持多種多樣的基帶處理，無需ASIC/FPGA參與,。”

  他還強調說,，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?shù)耐庠O、協(xié)處理器和處理速度(MIPS)去有效實現(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)行技術的限制,，就必須考慮多核,，例如TCI6?88具有總計3GHz性能來滿足指定需求，而單個的3GHz核在當今還不能實現(xiàn),，所以就要采用多核,。”

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

  而作為信號處理的傳統(tǒng)主導者,，TI則認為未來DSP將繼續(xù)是用戶的。鄭小龍表示,，高速數(shù)字信號實時處理是DSP和FPGA所共同面對的應用,，兩者都屬于可編程處理平臺，但實現(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。當一個軟件可編程DSP被用于承擔任何一種處理負載時,，它就可以成為優(yōu)選的平臺,，因為相比其它處理器，DSP可以在較低的成本下同時具有好的性能和功耗,。他強調說：“通過在DSP平臺上持續(xù)發(fā)展多種多樣的外設,、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實時應用中優(yōu)選系統(tǒng)構架的地位,。”

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

  高性能DSP處理器未來的發(fā)展方向

  在TI看來,，多核和SoC是高性能DSP未來的發(fā)展方向,。鄭小龍介紹說，TI對高性能DSP的展望包括增強靈活的協(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類型功能，還將支持更多特性和性能,，并有能力運行在更高速度以支持更多的數(shù)據(jù)吞吐量,。通過性能提升，DSP在目前采用CPU或ASIC的應用領域中更有優(yōu)勢——部分地取代任何一種,。事實上,，在大眾市場上，TI已經(jīng)有DSP和CPU相結合的產(chǎn)品推上市場,，也就是已經(jīng)量產(chǎn)的“達芬奇(DavVinci)”系列產(chǎn)品,。

  在多核DSP方面，目前的TI多核產(chǎn)品設計為滿足不同細分市場的不同需求,。TCI6?88目標是無線基站處理市場,；TNETV3020針對有線網(wǎng)絡的高密度語音市場。前者采用3個1GHzDSP核,，后者則采用了6個500MHzDSP核,。

  不過與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)公司正在開發(fā)并行陣列處理器芯片，宣稱能在單一芯片上以相對較低的時鐘頻率和功耗獲得“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16位處理器陣列，其運算和通信資源是靜態(tài)分配的,。它含有322個處理單元,，在160MHz的主頻下能提供200GMIPS和40GMACS的性能，據(jù)稱性價比或功率/性能比至少是其它架構(無論是DSP還是FPGA)的10倍,，可取代含有多個DSP,、FPGA及通用控制器的混合架構體系，適用于3G/4G和WiMax基站,，并且能夠實現(xiàn)“軟件無線電”,。

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

  其實，這些新興處理器廠商面臨的更嚴重問題是缺乏像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入市場致命的挑戰(zhàn),。

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