FPGA新兴应用趋势洞悉

技术分类: 可编程器件  | 2007-12-27
来源:DIGITIMES | 作者:郭长佑

  对此或许有人会说:可以使用更快速的计算机来加快验证,但这其实是鸡与蛋的问题,计算机效能提升其实是因为芯片效能愈来愈高,芯片效能愈来愈高原因可用摩尔定律来解释,在摩尔定律下,芯片开发速度变快、同时也让芯片更复杂,所以「计算机的更快速」与「芯片的更复杂」是连动的,使用了更快速的计算机,也意味着要推演、验证更复杂设计的芯片,最根本的问题并还没有真正解决。

  不过,由于FPGA的电路密度、运作效能在近年来大幅提升,所以开始有人提议用FPGA来取代纯计算机执行的验证软件,如此推演速度就可以获得大幅提升。举例来说,IBM、Sony、Toshiba三家业者所共同合作开发的Cell芯片,当芯片还在开发阶段时就已经使用FPGA来推演验证,以加速了解设计上的正确性。更具体来说,就是将新芯片的逻辑电路加载到FPGA,让FPGA充当新芯片来执行。

  改采FPGA方式来验证,其优

点不仅是加速验证程序,也可以节省验证成本,过去为了加速验证,必须动用大量的计算机,让众多的计算机同时都执行验证程序,才能让验证速度提升,有时其计算机的用量甚至要用及整个运算机房内的计算机,而今改成FPGA方式验证后,计算机用量就可大幅减少。

  要注意的是,由于芯片的电路愈来愈复杂,即便使用高阶、大容量(逻辑闸)的FPGA,都很难单独用一颗FPGA就仿真出整个新芯片,所以通常是同时用上多颗FPGA芯片,每颗FPGA芯片仿真部份的新芯片电路,然后再将多个FPGA芯片进行串连,用多个芯片来同时仿真一颗新芯片。

  另外,FPGA虽可以进行芯片设计的功效验证,但并不代表整个芯片的设计开发流程都可以加速,芯片电路设计的部份依旧需要工程师人工设计,只有功效验证上可以获得加速。再者,功效验证完全正确后并不代表芯片就此设计完成(除非该芯片确定直接以FPGA方式出货),后续在正式投产之前,还要经过频率收敛、电路化简等其它实体电路特性的调修,这方面FPGA也无从给予帮助。

  数字信号处理器(DSP)

  FPGA另一个新应用是取代DSP,由于FPGA适合规划成可同时大量平行运算组态,如此可加速数字信号运算。

  所谓的「取代」,其实牵涉到价格效能比(Price Performance Rate,中国内地方面称为:性价比,性能价格比)问题,相同的数字信号运算工作可以用FPGA运算,也可以用DSP运算,重点在于芯片成本,一般而言FPGA的芯片价格贵过DSP,但FPGA同时间可平行执行的数字信号运算量比DSP大,当数字信号运算的需求量够大时,FPGA在价格效能比上就会超越DSP。

  若更具体说明,一颗高效能的DSP约要30至200美元,而一颗高阶的FPGA则约200美元,高效能的DSP同时间可以处理4个信道的数字信号,而高阶的FPGA则可因应20至40个信道以上的信号运算,如此简单将信道数与价格相除,可明显看出在同时多组运算时FPGA的成本低于DSP。

  当然,先决条件是应用需求上需要同时间的多组运算,并非所有的应用都需要大量的数字信号运算,不过无线基地台方面确实有此种需求,但无线基地台前端的用户装置则没有这类的需求,事实上现在确实有诸多的无线基地台,已从过去完全只用DSP方式来进行信号收发解析处理,改成部份使用DSP、部份使用FPGA。

  但是这也并非绝对,原因有二,一是FPGA仍在积极降价中,未来的价格性能比会持续提升,目前只有大量的数字信号运算是属于FPGA较合算,但日后也会逐渐往中阶、初阶发展,接下来可能小规模性的基地台(如Pico Cell、Femto Cell等)也会使用。

  另一是前端用户的数字信号运算量也在增加,特别是MIMO技术已经进入到末端用户产品上(如IEEE 802.11n标准),同时2个、3个天线的收发将使数字信号的运算量增加,加上愈来愈多无线技术是使用OFDM调变,而OFDM的调变为高度平行化的运算,使用FPGA将可获得不错的效益。

  虽然许多人看好FPGA取代DSP的后续发展,但是FPGA也并非全然无威胁,目前许多芯片业者正积极发展多核心处理器,例如Tilera公司的Tile64处理器拥有64个执行核心,一样可以提供大量平行的运算,而不需要使用FPGA或DSP。

  如冰山般「厚实、缓慢」的推进

  上述三种FPGA的新应用,笔者个人认为往后只会更扩展、更深入地运用,而不可能回退,高效运算系统未来只会愈来愈常使用FPGA,芯片设计上的逻辑功效验证也会愈来愈常用使用FPGA,并减少使用推演软件(或称:仿真软件),基地台等应用也是如此。

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