1. 引言
在 2004 年加入赛灵思公司之前，与大多数人的观点一样，我也认为 FPGA“非常适用于原型设计，但对于批量 DSP 系统应用来说，成本太高，功耗太大。”，我原来一直认为，FPGA 在成本和功效方面无法满足今天采用DSP系统架构完成的那些设计的预算要求。然而，没过多久，我源于“DSP 视角”的看法就被大大地并且不可逆转地改变了。 
今天针对 DSP 优化的高性能 FPGA 已经在 DSP 领域扮演着重要的角色。DSP 领域的设计工程师逐渐发现他们所处的环境变化十分迅速，标准快速演化并且不断融合，上市周期越来越短，设计工作受到经济和技术上的约束增多，但设计一旦成功获得的回报也很巨大。
由于在性能和灵活性方面的完美组合，FPGA 在 DSP 领域的应用越来越普遍（参看表 1）。诸如通信、多媒体和国防行业等高增长的市场都非常需要高性能的 DSP 技术。这些市场的特点在于始终处于连续的变化之中，不断变化的标准、市场需求、客户需求以及竞争态势。要跟上市场变化，企业就需要一种强大且灵活的处理器——FPGA 就是这种特别适合的技术。 DSP 市场研究机构 Forward Concepts 最近在题为“DSP 战略”的报告中，该机构分析师 Will Strauss 预测：未来五年内，可重配置 DSP（99% 是 FPGA）市场增长速度将超过 DSP 整体市场中的任何其它部分。Strauss 还指出：FPGA 经常被用来分流承担大量计算任务，帮助提高传统 DSP 芯片的能力。换句话来说，FPGA 并非替代 DSP。相反的是，功能和性能都不断增强的 FPGA 为 DSP 技术开拓了新市场。
2. 将 DSP 性能提升到极限
推动 DSP 应用对 FPGA 需求的最重要因素之一就是传统处理器性能增长放缓。尽管在摩尔定律的推动下，处理器的制造工艺不断向更小节点发展，但仅仅简单地通过减小工艺节点来大幅提高 DSP 和 GPP 的性能变得越来越困难。
与此同时，由于通信系统将数据传输效率不断推向香农定理（参见图 1）的上限，算法的复杂性以更快的速度提高。Turbo 编码和 MIMO 系统等先进技术已经非常接近香农定律的理论极限，成本就是极高的计算复杂性。 这就导致了算法性能要求和处理器性能之间的差距越来越大。因此，设计人员必须寻找新的设计解决方案（如 DSP），在固定结构处理器之外选择 FPGA。
3. FPGA 满足性能挑战
FPGA 的 DSP 性能领先的关键是其内在的并行机制，即利用并行架构实现 DSP 的功能。这一并行机制使得 FPGA 特别适用于完成像滤波这样的重复性 DSP 任务。因此，对于高度并行执行 DSP 任务来说，FPGA 性能远远超过通用 DSP 处理器的串行执行架构。
例如，传统 DSP 处理器每个时钟周期最多可完成 8 个 MAC 操作。要执行一个 256 抽头的滤波器，传统 DSP 处理器需要在 1GHz 时钟下执行 32 个时钟周期，才能达到 31.25 MSPS 的采样处理性能。与此相对比，有 512 个并行 XtremeDSP 逻辑片的赛灵思 Virtex-4 SX55 在 500MHz 时钟下可达到 500 MSPS 的性能（参看图 2）。因此在时钟慢一倍的情况下，FPGA 提供的性能高了一个数量级还多。
显然，实际应用不会仅仅涉及滤波，因此这一例子有点简单。然而，独立的基准测试表明，即使在实际工作负载下，FPGA 也有很大的性能优势。
4. 成本和功效
当然，性能并非全部：对几乎所有 DSP 应用来说，成本和功效也是考虑的关键因素。许多设计人员仍然有这样的错误印象，认为采用 FPGA 的成本要几千美元。实际上，在摩尔定律的推动下，FPGA 的成本已经大大降低，比如，2000 年时，百万系统门器件的成本为 350 美元，而采用 90nm 工艺后，成本还不到 9 美元。今天， FPGA 产品已经进入了 65nm 工艺，十多种 65nm 产品已经上市并有几种已经量产，而 45nm 工艺的设计工作也已在进行中。因此，实际上 FPGA 现在已经成为领先半导体生产技术的重要推动力 - FPGA 成为每个新的工艺结点生产的首批器件之一。因此，FPGA 将会继续在摩尔定律的推动下进一步降低成本，提高性能。
许多设计人员还认为 FPGA 是功耗大户。实际上，FPGA 能够做到非常高的功效。U.C. Berkeley 教授 Bob Broderson 在其 58 分钟的视频教学中充分表明了这一点：“利用重配置实现通用低功耗超级计算”（“General Purpose， Low Power Supercomputing Using Reconfiguration”）。在视频教程中，Broderson 教授利用国际半导体电路大会上获得的芯片数据回顾了并行机制和功耗之间的相关性。如图 3 所示，他的结论给出明确的强有力信息：FPGA 同时在性能和功率效率方面领先于 DSP。（这一点在 BDIT 2007 年 1 月 11 日的 DesignLine 文章中进一步得到了证实：“FPGA 与 DSP：有关问题的重新审视”。）

图 3. FPGA 的能源效率比通用 DSP 更好
近几年来，FPGA 供应商始终将功耗做为优先考虑的问题来抓，并在 65nm 工艺结点的创新功率优化技术方面投入了大量资金。事实上，一些最新的 FPGA 采用了与手机芯片一样的制造工艺。
然而， DSP 性能的范围、功耗和成本要求非常广泛，高性能 DSP 市场也需要一个 DSP 平台系列来满足如此广泛的要求，单单靠一种器件无法满足高端应用的极高性能要求以及大批量应用对价格和功率的要求。
5. FPGA 平台多元化
几年前，FPGA 供应商就开始为高性能应用提供 DSP 增强的 FPGA。赛灵思公司的 Virtex-DSP 系列就是此类 FPGA 中的典型例子。今天，FPGA供应商正在推出新的低成本 FPGA 系列产品来扩充产品线。例如，赛灵思公司刚刚推出了 Spartan-DSP 系列。
做为两种产品组合中新增加的成员，Virtex-5 SXT 和Spartan-3A DSP 平台瞄准不同的应用。Virtex-5 SXT 平台有三种器件可供选择，主要面向要求超高 DSP 带宽和更低系统成本的下一代无线、国防和多媒体视频应用。这些 FPGA 器件在 550MHz 时钟下提供了超过 350 GMAC/s（即 每秒 3500 亿乘法累积运算）的性能。65-nm Virtex-5 SXT 则集中于高性能，值得一提的是比此前的 90nm 产品消耗的动态功耗低 35%。
Spartan-3A DSP 是赛灵思产品线中的最新成员，也是第一款 DSP 优化的 Spartan FPGA。Virtex-5 SXT 主要集中于性能，而 Spartan-3A DSP 则致力于价格、性能和功耗的平衡。Spartan-3A DSP 平台以低于 30 美元的批量生产起价提供了超过 30 GMAC/s 的性能和高达 2，200 Mbps 的存储器带宽。这一突破性的性能价格比使其可用于以下应用：单通道微小型（pico-cell）无线基站中的数字前端（DFE）和基带解决方案、军用移动软件无线电（SDR）、超声系统、高分辨率视频和智能IP相机。
如图 4 所示，DSP 或高端 FPGA 无法满足很多此类应用的需要。因此 Spartan-3A DSP 这样的新器件为 DSP 技术打开了新市场。
6. 前景展望
随着 FPGA 供应商对 DSP 应用关注的加大，其面向 DSP 的产品已经不仅仅是提供 FPGA 器件。例如，赛灵思公司于 2000 年启动了“XtremeDSP”计划，旨在为通信、多媒体和国防行业提供应用优化的 DSP 解决方案。XtremeDSP 方案包括：
1) 不断扩展为DSP设计提供的高性能器件产品线
2) 提供开发板和开发套件、参考设计和知识产权（IP）
3) 推出用于不同 DSP 系统设计的方法和设计开发工具
4) 提供相关的可编程逻辑、连接功能和嵌入式处理功能
5) 建立提供培训和支持的业界和大学战略合作伙伴关系
7. DSP 设计工具充分发挥 FPGA 威力
开发工具特别关键，因此没有强大的开发工具就无法充分发挥 FPGA 的潜力。对于 FPGA 工具和设计方法来说，需要关注三类不同的设计人员群体：系统设计师、 DSP 工程师以及 FPGA /硬件工程师。每一类设计人员有不同的职责分工，从而对他们所使用的特定设计环境提出了要求。系统设计师必须快速确定如何在选择的处理资源条件下最好地划分不同的系统级功能。他们关注的重点是选择适当的 FPGA 产品来满足产品性能和吞吐能力要求，同时满足尺寸、成本和功耗方面的预算。 DSP 工程师更关注 DSP 算法的创建和改进。他们通常不熟悉硬件设计细节，要依赖工具将细节抽象掉，这样他们才能够更专注于更高层的设计探索和验证。 硬件工程师通常采用 VHDL  或 Verilog 来从设计中获得最高的性能。他们通过需要在同一设计环境中与更高层功能模块以及自己的寄存器传输级（RTL）设计协同工作的能力，并且可以运行测试基准进行功能和性能验证。
现代 FPGA 设计工具可满足所有三类设计群体的要求，在单个设计环境中提供了系统建模、算法开发和试验、测试基准向量自动生成、设计验证和调试、以及 HDL 生成和仿真等功能。无论设计人员使用 C/C++、MATLAB、Simulink、HDL 还是他们的任意组合，当今的 FPGA 设计工具（包括 EDA 合作伙伴提供的第三方工具）都能够支持他们快速高效地充分发挥 FPGA 的所有潜力。
8. 总结
在当今要求最苛刻的数字信号处理（DSP）系统设计和开发中， FPGA 扮演着越来越重要的角色，这一点并非偶然。经过二十多年的研究和工程努力，以及与数百 DSP 客户的密切合作，赛灵思 FPGA 已经演化为无与伦比的高价值 DSP 解决方案平台，在性能、灵活性、上市时间以及产品寿命方面都提升到了极高水平，同时还大大降低了总体系统成本和功耗。
因此，如果您是从事高性能 DSP 系统相关工作的设计师，就需要问一下自己，“我的 DSP 解决方案视野里是否包括 FPGA？”如果您的 DSP 设计正面临性能压力，需要降低功耗和成本，或者要加快速度赶上进度，可能我们可以好好谈谈。

作者简介
Omid Tahernia 担任赛灵思公司副总裁兼处理解决方案部总经理，负责市场和企业战略，推动 DSP 解决方案的技术发展，并致力于提高在电信、军事/航天航空、宽带、以及消费行业等 DSP 密集应用中的营收和市场份额。他还负责为基于 DSP 的设计创建软件工具和设计方法；创建 DSP IP 模块；促进和发展面向 FPGA 的 DSP 生态系统，同时推动学术群体内的基于 DSP 的 FPGA 技术的教育战略。Tahernia 于 2004 年加入赛灵思公司，担任公司副总裁兼 DSP 部总经理。在加入赛灵思公司之前，Tahernia 担任摩托罗拉公司无线和移动系统总经理兼副总裁。在摩托罗拉的 21 年时间里，Tahernia 在设备和半导体部担任过一系列高级职务，以及无线业务部全球战略和业务开发副总裁兼总监。