在2004年加入賽靈思公司之前，與大多數(shù)人的觀點一樣，我也認(rèn)為FPGA“非常適用于原型設(shè)計，但對于批量DSP系統(tǒng)應(yīng)用來說，成本太高，功耗太大。”我原來一直認(rèn)為，F(xiàn)PGA在成本和功效方面無法滿足今天采用DSP系統(tǒng)架構(gòu)完成的那些設(shè)計的預(yù)算要求。然而，沒過多久，我源于“DSP視角”的看法就被大大地且不可逆轉(zhuǎn)地改變了。
今天，針對DSP優(yōu)化的高性能FPGA已經(jīng)在DSP領(lǐng)域扮演著重要的角色。DSP領(lǐng)域的設(shè)計工程師逐漸發(fā)現(xiàn)他們所處的環(huán)境變化十分迅速，標(biāo)準(zhǔn)快速演化并且不斷融合，產(chǎn)品上市周期越來越短，設(shè)計工作受到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的約束增多，不過設(shè)計一旦成功獲得的回報也很巨大。
由于將高性能和靈活性完美組合，F(xiàn)PGA在DSP領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。諸如通信、多媒體和國防行業(yè)等高增長的市場都非常需要高性能的DSP技術(shù)。這些市場的特點在于始終處于連續(xù)的變化之中，有電感器與電容器著不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)、市場需求、客戶需求以及競爭態(tài)勢。要跟上市場變化，企業(yè)就需要一種強(qiáng)大且靈活的處理器——FPGA就是一種特別適合的技術(shù)。
圖1 FPGA填補(bǔ)算法復(fù)雜性和固定架構(gòu)處理器效率造成的性能差距
將DSP性能提升到極限
推動DSP應(yīng)用對FPGA需求的最重要因素之一就是傳統(tǒng)處理器性能增長放緩。盡管在摩爾定律的推動下，處理器的制造工藝不斷向更小節(jié)點發(fā)展，但僅僅簡單地通過減小工藝節(jié)點來大幅提高DSP和GPP的性能變得越來越困難。
與此同時，由于通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸效率不斷推向香農(nóng)定理的上限，算法的復(fù)雜性以更快的速度提高，如圖1所示。Turbo編模壓電感碼和MIMO系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)非常接近香農(nóng)定律的理論極限，成本就是極高的計算復(fù)雜性。這就導(dǎo)致了算法性能要求和處理器性能之間的差距越來越大。因此，設(shè)計人員必須尋找新的設(shè)計解決方案（如DSP），在固定結(jié)構(gòu)處理器之外選擇FPGA。
FPGA滿足性能挑戰(zhàn)
FPGA 的DSP性能領(lǐng)先的關(guān)鍵是其內(nèi)在的并行機(jī)制，即其利用并行架構(gòu)實現(xiàn)DSP的功能。這一并行機(jī)制使得FPGA特別適合于完成像濾波這樣的重復(fù)性DSP任務(wù)。因此，對于高度并行執(zhí)行DSP任務(wù)來說，F(xiàn)PGA的性能遠(yuǎn)超過通用DSP處理器的串行執(zhí)行架構(gòu)。
成本和功效
當(dāng)然，性能并非一切。對幾乎所有DSP應(yīng)用來說，成本和功耗也是考慮的關(guān)鍵因素。許多設(shè)計人員仍然有這樣的錯誤印象，認(rèn)為采用FPGA的成本要幾千美元。實際上，在摩爾定律的推動下，F(xiàn)PGA的成本已經(jīng)大大降低。例如，2000年時，百萬系統(tǒng)門器件的成本為350美元，而采用90nm工藝后，成本還不到9美元。今天，F(xiàn)PGA產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了65nm工藝，十多種65nm 產(chǎn)品已經(jīng)上市并有幾種已經(jīng)量產(chǎn)，而45nm工藝的設(shè)計工作也已在進(jìn)行中。因此，實際上FPGA現(xiàn)在已經(jīng)成為領(lǐng)先一體成型電感器半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)的重要推動力——FPGA成為每個新的工藝節(jié)點生產(chǎn)的首批器件之一。因此，F(xiàn)PGA將會繼續(xù)在摩爾定律的推動下進(jìn)一步降低成本，提高性能。
許多設(shè)計人員還認(rèn)為FPGA是功耗大戶。實際上，F(xiàn)PGA能夠做到非常高的功效。Bob Broderson教授在其58分鐘的教學(xué)視頻中充分表明了這一點：“利用重配置實現(xiàn)通用低功耗超級計算”。在該視頻教程中，Broderson教授利用國際半導(dǎo)體電路大會上獲得的芯片數(shù)據(jù)回顧了并行機(jī)制和功耗之間的相關(guān)性。如圖2所示，他的結(jié)論給出了明確而強(qiáng)有力的信息：FPGA同時在性能和功效方面領(lǐng)先于DSP。
圖2 FPGA的能效比通用DSP更好
近幾年來，F(xiàn)PGA供應(yīng)商始終將功耗作為優(yōu)先考慮的問題，并在65nm工藝節(jié)點的創(chuàng)新功耗優(yōu)化技術(shù)方面投入了大量資金。事實上，一些最新的F一體電感器PGA還采用了與手機(jī)芯片一樣的制造工藝。
然而，DSP性能的范圍、功耗和成本要求非常寬泛，高性能D塑封電感SP市場也需要一個DSP平臺系列來滿足如此廣泛的要求，單單靠一種器件無法滿足高端應(yīng)用的極高性能要求以及大批量應(yīng)用對價格和功耗的要求。
FPGA平臺多元化
幾年前，F(xiàn)PGA供應(yīng)商已經(jīng)開始為高性能應(yīng)用提供DSP增強(qiáng)的FPGA了，賽靈思公司的Virtex-DSP系列就屬于此類FPGA。FPGA供應(yīng)商正在推出新的低成本FPGA系列產(chǎn)品來擴(kuò)充產(chǎn)品線。例如，賽靈思公司剛剛推出了Spartan-DSP系列。
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