FPGA与DSP，正在走向消亡？！

电子发烧友网12月“处理器与DSP特刊”火热下载中，缺你怎可！

　　近几年，搭乘新兴市场（智能工业、物联网等）和先进半导体技术快速发展先机，FPGA凭借其性能优势不断入侵并蚕食着DSP市场，以Altera和Xilinx主导的PLD厂商在各领域攻城拔寨势如破竹，喜讯频传。“FPGA将取代DSP”之声日盛。这无疑撩动着传统DSP大厂的敏感神经，德州仪器（TI）、CEVA、飞思卡尔、Microchip、ADI和NXP等早已纷纷表示了自己对于DSP技术未来发展的信心。

　　现实情况是，由于成本和功耗等原因，在特别大量的应用中通常都没有FPGA，但可编程的DSP却是不可缺少的。总的来说，由于产品生命周期越来越短，通过软件手段实现更多的功能应是设计者的主要思路。由于FPGA技术的快速提升，功耗及成本的逐步下降，同一片FPGA通过不同的编程数据产生不同的电路功能，使得FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等DSP传统应用领域也得到了更多的应用。已有FPGA厂商表示，随着功耗和成本的进一步降低并伴随着性能的提升，FPGA 还将进入更多的应用领域。

　　随着摩尔定律的进一步推进，半导体技术将更多晶体管集成到FPGA中，在提高其性能的同时进一步降低自身功耗。那么，DSP又是如何在高性能与低功耗之间寻求最佳平衡点的？

　　FPGA加速渗透 CEVA/德州仪器扛DSP大旗

　　作为全球领先的DSP IP内核授权厂商，CEVA公司营销及投资者关系总监 Richard Kingston强调，实现低功耗与高性能相结合需要关注CEVA独创的三大技术。

　　一是并行性，既并行执行指令。它允许处理高级并行指令，因此提供了扩展的并行性，以及低功耗特性。SIMD（Single Instruction Multiple Data，SIMD）架构则允许单指令来运行多数据类型，从而减少了代码大小并增强了性能。反过来，更高的处理效率也带来更低的功耗。

　　二是使用紧耦合扩展（tightly coupled extensions，TCE），作为节省CPU周期以及功率的一种方法，它实现了DSP功能的硬件加速。

　　最后，Kingston表示，CEVA还在其DSP中配置了专用功率调节单元（Power Scaling Unit， PSU），使电池供电和固定设备显著地功降低功率消耗，该功率调节单元的特性包含了可以用于动态和泄漏功率的先进的功率管理、与功能单元相关的多电压域，以及从完全运行到调试旁路（debug bypass）直至存储维持（memory retention）、完全电源关断（power shut-off，PSO）的多种运行模式。

　　那么，随着FPGA与ASIC向DSP应用领域的渗透逐渐扩展和加速，到底该如何把握市场需求和发展趋势？

　　德州仪器半导体技术（上海）有限公司通用DSP业务发展经理郑小龙指出，无论如何，DSP在高速嵌入式实时系统中的地位将持续举足轻重。首先，软件可编程的特性为客户的新型应用及特色化设计提供了最大的可能，而相比之下ASIC总不可避免地带来过于同质化而缺少增值点的廉价产品；其次，对于DSP的投入将是可持续发展，并且无论是人才还是开发平台都是极易得到的。

　　郑小龙进一步强调，FPGA作为硬件可编程平台近年来也获得了较大的发展，特别是也有集成了嵌入式CPU核心的SOC推出，但是面向通用市场的需求，其体统结构和开发手段还是难以摆脱专业应用的局限，而基于DSP的SOC则具有更为灵活的特色以适用市场的发展。

　　Microchip为了避免和TI的C2000系列DSP直接竞争，他们把旗下的dsPIC系列DSP芯片叫做DSC，其实还是DSP芯片，而且他们一直在推出下新品。还有飞思卡尔、ADI、NXP他们还都有生产DSP，只是他们争不过TI的专用DSP。主要一点还是发现难以与FPGA芯片抗衡。这里又引出了FPGA这个技术，说到这个，或许FPGA才是DSP的真正敌人。有人说融合，那么，FPGA与DSP两个小伙伴，会走向哪里？

　　融合之路——FPGA与DSP，会走向哪里？

　　实际上，FPGA区别于ASIC设计，属于硬件设计的范畴，ASIC是硬件全定制，FPGA是硬件半定制。具体来说 ASIC整个电路都由工程师设计，用多少资源设计多少资源，一般多用于产品设计；FPGA资源事先由厂商给定，并提供不同系列的FPGA芯片，工程师可以在给定资源下做硬件设计开发。

　　DSP主要用于处理信号，实现算法。特点是多级流水，可以加快数据处理的速度。开发环境主要是C语言，可以说DSP应用的范围更专DSP的设计可以理解为软件设计，工程师师不需要太了解DSP的结构。

　　FPGA平台也好，抑或DSP平台也罢，主要是给设计者提供了一个硬件平台，开发的核心还是需要独立的应用设计和高效的算法设计，所以设计者应该处理好工具的掌握和具体设计的区别。但是不可忽视的是，DSP+FPGA处理系统正广泛应用于复杂的信号处理领域。在雷达信号处理、数字图像处理等领域中，信号处理的实时性至关重要。由于FPGA芯片在大数据量的底层算法处理上的优势及DSP芯片在复杂算法处理上的优势，DSP+FPGA的实时信号处理系统的应用越来越广泛。

　　郑小龙表示，TI一直将FPGA厂商视为第三方合作伙伴，常常将通用SOC处理器与FPGA组合使用。现在FPGA里都搭载DSP模块，Matlab也支持到FPGA的算法到硬件的转换，当然传统的DSP是纯软件，这个不需要设计硬件，而FPGA会涉及更多软硬件设计，用传统DSP的好处是移植容易，成本低，多数公司会采用。FPGA性能高，成本也高，设计周期相对较长。站在工程师立场，如果你善于软件设计，DSP会更合适，要是对硬件更擅长，FPGA是个选择，这个很适合做视频处理，雷达声纳信号处理。

　　事实上，除开强大的LOGIC功能，FPGA内部可以定制软核CPU、DSP甚至是多个，也有集成硬核的，轻松实现SOPC系统。其灵活性及功能甚至要强过DSP。这点在系统设计的初期优点非常明显，当尝试一个解决方案失败的时侯，通常不用去修改PCB板或接口，只是修改FPGA内部的系统构建方式及软件。节省很多时间和金钱。但是与此同时，它存在一个致命缺点，价格高昂。

　　高端制程技术和系统整合是硅芯片融合背后的推动力量。现场可编程闸阵列（FPGA）在硅芯片融合这一个趋势下加速发展，可编程设计技术的最新进展是片上系统（SoC），整合FPGA和ARM应用处理器，以及丰富的周边处理器子系统。对于实时嵌入式系统设计，这些技术的融合带来新挑战和机遇。

　　短期来看，两者结合使用更常见；长远来看，融合是大趋势。FPGA与DSP，这两个技术的芯片将会合二为一，甚至可以这么说，在长远来看，它们或许都会消亡，更高端的技术将会带来芯片领域的质的飞跃，如今年XMOS宣称其推出八核可编程嵌入式SoC，谁又能否定它不是燎原之初的星星之火呢。
 

文/电子发烧友网执行主编 莫延芬

摘自电子发烧友网十二月份“处理器与DSP技术特刊”中“i创新”栏目，转载请注明出处！