FPGA和DSP明幫暗戰，爭奪20億美元高性能信號處理市場(chǎng)
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20億美元的新興高性能信號處理市場(chǎng)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(chǎng)，他們的暗戰已經(jīng)開(kāi)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(guān)開(kāi)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(guò)集成ASIC的DSP SoC和多核DSP提升處理能力，目的也是減少FPGA和ASIC的使用，捍衛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，FPGA由于成本、功耗和性能限制，一直在系統外圍暗自發(fā)力，從最初用于膠合邏輯，到用于控制邏輯，再到用于數據通路，艱難地接近系統核心。傳統上，FPGA被用作DSP解決方案中所需要的系統邏輯、多路處理及合并，或是多I/O接口。
進(jìn)入21世紀后，FPGA終于迎來(lái)了“修成正果”、與CPU、DSP并列于系統核心的最好機會(huì )：一方面，隨著(zhù)90和65納米工藝的采用，FPGA在成本、功耗和性能上大幅改善，具備成為系統核心的條件；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，這為具有強大并行處理能力的FPGA帶來(lái)了需求。
正是因為如此，從90納米開(kāi)始，FPGA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(jìn)一步增強了DSP功能。例如，賽靈思面向DSP應用的XtremeDSP產(chǎn)品線(xiàn)包括高端的Virtex-4 SX和Virtex-5 SXT，不久前又推出了低成本Spartan-3A DSP系列，而Altera的Stratix II和Stratix III，以及65納米低成本Cyclone III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(wú)線(xiàn)基站和包括監控、廣播以及3D醫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(jià)格和功耗都很敏感的應用，包括微蜂窩基站、軍用移動(dòng)軟件定義無(wú)線(xiàn)電、超聲系統、輔助駕駛/多媒體系統、高清視頻以及智能IP相機等——這些也都是傳統DSP芯片看重的新興應用。
吳曉東：在需要大量并行處理時(shí)，FPGA更優(yōu)于傳統DSP。
賽靈思公司中國區運營(yíng)總經(jīng)理吳曉東強調說(shuō)：“為什么會(huì )用FPGA做DSP應用呢？DSP表示的是數字信號處理，并不代表DSP芯片，實(shí)際上數字信號處理有很多不同實(shí)現方法，可以用DSP芯片，也可以是MCU，還可以是FPGA和ASIC作數字信號處理。事實(shí)上，由于FPGA是一個(gè)天生的并行處理結構，因此在進(jìn)行復雜計算時(shí)性能遠遠超過(guò)傳統DSP芯片。”
賽靈思亞太區市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)董事鄭馨南表示，過(guò)去20年里算法復雜性快速提升是推動(dòng)FPGA進(jìn)入DSP應用的最重要市場(chǎng)動(dòng)力。他以通信領(lǐng)域為例回顧DSP應用歷史說(shuō)，20世紀70年代，DSP應用的驅動(dòng)力為語(yǔ)音頻帶，性能需求的數量級為“KHz”，微處理器和MCU可以滿(mǎn)足需求；20世紀80、90年代，無(wú)線(xiàn)電為DSP應用驅動(dòng)力，性能需求為“MHz”級，DSP獨領(lǐng)風(fēng)騷；而進(jìn)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(mǎn)足需求。
吳曉東進(jìn)一步解釋說(shuō)，傳統DSP芯片是實(shí)時(shí)信號處理的最佳答案，但它畢竟是一個(gè)串行結構，進(jìn)行復雜運算時(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(mǎn)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(gè)MAC單元，因此性能遠遠高于傳統DSP芯片，例如我們的Virtex-5 SXT FPGA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(shuō)：“由于FPGA可以彌補DSP芯片的不足，在信號處理系統中FPGA與DSP相得益彰。”他一再強調FPGA不是要與DSP直接競爭，“我們現在更多的還是互補的關(guān)系。”
他舉例說(shuō)，以前視頻監控應用的通道數不多，對圖像質(zhì)量和實(shí)時(shí)性等也要求不高，很少有人用FPGA；但是隨著(zhù)監控由標清轉向高清，從單通道轉到八通道，從非實(shí)時(shí)轉到對實(shí)時(shí)的要求，外加人臉識別和運動(dòng)估計等分析功能，普通DSP就很難實(shí)現，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，可以大大節省成本。其中，FPGA用于加速實(shí)時(shí)視頻處理和壓縮，而DSP運行實(shí)時(shí)操作系統和第三方分析軟件。
對于另一個(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)設計數字上下變頻器，因為對于需要多載波的數字變頻器，并行的FPGA是最好地選擇；而DSP則適合于變頻后的符號率處理。
但是，DSP廠(chǎng)商絕不會(huì )只滿(mǎn)足于僅做后端的符號處理，比如TI早就推出針對數字上下變頻的產(chǎn)品。
另一邊，賽靈思實(shí)際上也并不滿(mǎn)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。作為賽靈思最主要的方案推廣商，這也暗示了FPGA未來(lái)要走的路。
DSP陣營(yíng)捍衛主角地位
對于來(lái)自戰友的挑戰，DSP廠(chǎng)商正在通過(guò)集成ASIC+DSP的SoC(系統級芯片)和多核DSP提升處理能力，目的也是減少FPGA和ASIC的使用，捍衛自己的主角地位。
鄭小龍：DSP SoC和多核DSP可以取代DSP+FPGA/ASIC方案。
對于FPGA作為協(xié)處理器的觀(guān)點(diǎn)，TI中國區通用DSP業(yè)務(wù)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最適合的場(chǎng)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，大多系統控制、排序化處理、用戶(hù)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(shí)指出，當某個(gè)應用中FPGA實(shí)現的并行加速處理達到一定市場(chǎng)規模而足以進(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能提高信號處理鏈路的速度，但隨著(zhù)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(guò)多核DSP提升性能。一個(gè)典型的例子就是，TI不久前針對WCDMA基站推出了高集成度的TCI6488，它采用3個(gè)1GHz DSP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。這是因為T(mén)CI6488中已經(jīng)包含了WCDMA系統處理所需的專(zhuān)用協(xié)處理器，例如傳統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，或要靠DSP核來(lái)解決，這就需要增加額外的DSP。TCI6488還具有典型DSP所沒(méi)有的多種外設，如新興的高速天線(xiàn)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)議轉換。此外，如果一個(gè)系統需要規模擴展到去支持更多的用戶(hù)，TCI6488還可以通過(guò)采用RapidIO接口或者外設去實(shí)現互連。鄭小龍總結說(shuō)：“TCI6488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。”
他還強調說(shuō)，單核DSP同樣可以取代DSP+FPGA/ASIC方案，只是單核DSP SOC只可以支持有限數量的用戶(hù)，而多核DSP則能夠支持更多用戶(hù)和更多功能。鄭小龍指出：“只要DPS具有恰當的外設、協(xié)處理器和處理速度(MIPS)去有效實(shí)現所需的功能，它就可以成為SoC。在一些情況下，處理需求受到現行技術(shù)的限制，就必須考慮多核，例如TCI6488具有總計3GHz性能來(lái)滿(mǎn)足指定需求，而單個(gè)的3GHz核在當今還不能實(shí)現，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，但也存在一定的競爭關(guān)系，尤其是Spartan-3A DSP這種低成本FPGA開(kāi)始覆蓋更廣闊的DSP應用(1-30 GMACS性能范圍)，與DSP的競爭難免。他表示：“目前趨勢是一個(gè)往下走(FPGA)，一個(gè)往上走(DSP)，雙方都為了彌補性能上的鴻溝，都是為了更好滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，最終的抉擇取決于客戶(hù)和應用。”吳曉東指出，很難為客戶(hù)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，5GMACS以上可能就需要多片DSP去處理，這時(shí)候FPGA更有優(yōu)勢。
而作為信號處理的傳統主導者，TI則認為未來(lái)DSP將繼續是用戶(hù)的首選。鄭小龍表示，高速數字信號實(shí)時(shí)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(shí)現的方法卻大相徑庭，DSP采用軟件編程，而FPGA則借助硬件編程手段。當一個(gè)軟件可編程DSP被用于承擔任何一種處理負載時(shí)，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(shí)具有好的性能和功耗。他強調說(shuō)：“通過(guò)在DSP平臺上持續發(fā)展多種多樣的外設、嵌入式軟件、加速器和協(xié)處理器，TI DSP將持續保持作為今天和未來(lái)實(shí)時(shí)應用中優(yōu)選系統構架的地位。”
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，并有能力運行在更高速度以支持更多的數據吞吐量。通過(guò)性能提升，DSP在目前采用CPU或ASIC的應用領(lǐng)域中更有優(yōu)勢——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相結合的產(chǎn)品推上市場(chǎng)，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(mǎn)足不同細分市場(chǎng)的不同需求。TCI6488目標是無(wú)線(xiàn)基站處理市場(chǎng)；TNETV3020針對有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的高密度語(yǔ)音市場(chǎng)。前者采用3個(gè)1GHz DSP核，后者則采用了6個(gè)500MHz DSP核。
不過(guò)與TI、飛思卡爾等廠(chǎng)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(chǎng)商PicoChip的多核DSP——picoArray處理器是一種粗粒度的超大規模并行異構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(gè)處理單元，在160MHz的主頻下能提供200GMIPS和40GMACS的性能，據稱(chēng)性?xún)r(jià)比或功率/性能比至少是其它架構(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體系，適用于3G/4G和WiMax基站，并且能夠實(shí)現“軟件無(wú)線(xiàn)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(méi)有去開(kāi)發(fā)這種產(chǎn)品。鄭小龍解釋說(shuō)：“將數以百計的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)型的大規模并行架構，其原因在于這種產(chǎn)品的局限性。例如一個(gè)客戶(hù)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(gè)DSP所帶來(lái)的固有挑戰在于三個(gè)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(gè)相當大的數據和程序存儲器；二是當上百個(gè)核都要去訪(fǎng)問(wèn)數據時(shí)，提供平等的訪(fǎng)問(wèn)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(huì )有更多的互連，這將增加阻塞。”
其實(shí)，這些新興處理器廠(chǎng)商面臨的更嚴重問(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(chǎng)商進(jìn)入市場(chǎng)最致命的挑戰。
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