Funkcje DSP o dużej wydajności w układzie FPGA Stratix® IV

Układy FPGA Stratix® IV to świetne rozwiązanie, spełniające wymagania wysokowydajnego cyfrowego przetwarzania sygnału (DSP). W porównaniu z procesorami DSP układy FPGA Stratix® IV mają następujące cechy:

  • Lepsza wydajność DSP
  • Niższy koszt
  • Niższy pobór mocy
  • Mniej przestrzeni na płycie
  • Większa skalowalność platformy

Tabela 1 przedstawia sposoby wykorzystania pojedynczego układu FPGA Stratix® IV w celu wymiany wielu procesorów DSP.

Tabela 1. Porównanie układów FPGA Stratix® IV z głównymi wydajnymi procesorami DSP

Specyfikacja

Stratix® IV EP4SGX70

Texas Instruments C64x

Częstotliwość zegara

400 MHz (maks. 550 MHz)

1,2 GHz

Liczba urządzeń

1

30

Całkowita GMACS1

153 (maks. 708 w EP4SGX230)

144

Całkowita moc

~3 watów

~68 watów
30 × (1,76 W rdzenia + 0,53 W wejścia/wyjścia) przy 50% wykorzystania

Całkowita powierzchnia płyty

~1225 mm2

~ 15 000 mm2

Łączny koszt

$209
(1 × 209 USD na 1 tys. jednostek)

9000 USD
(30 × 300 USD na 1 tys. jednostek)

Uwaga:

1. GMACS = giga operacji typu pomnóż-i-akumuluj na sekundę

Układy FPGA Stratix® IV wykonują ciężką pracę DSP

Układy FPGA Stratix® IV można wykorzystać do wdrażania kompletnych, wysokowydajnych systemów DSP oraz jako koprocesory FPGA. Układy FPGA Stratix® IV w aplikacjach koprocesorowych przyspieszają funkcje DSP o krytycznym znaczeniu dla wydajności, które w innej sytuacji mogłyby pochłonąć większość mocy procesora hosta i zmniejszyć całkowitą wydajność systemu.

Układy FPGA Stratix® IV wykorzystywane jako koprocesory zwiększają ogólną wydajność systemu poprzez oddzielenie złożonych obliczeń w systemach bezprzewodowych, nadawczych, obrazowania medycznego i wojskowości od procesora hosta.

Oferta układów Intel® FPGA to szeroki zakres usług, narzędzi i platform programistycznych do wdrażania projektów DSP w układach FPGA Stratix® IV. Układy FPGA Stratix® IV można również szybko przekształcić w koprocesory FPGA zdefiniowane przez użytkownika przy użyciu kreatora DSP Builder, narzędzia do projektowania architektury przepływu danych Intel® FPGA opartego na najlepszych w branży narzędziach MATLAB i Simulink firmy MathWorks.

Po określeniu architektury koprocesora można ją automatycznie wdrożyć w układzie FPGA Intel® Stratix® IV lub wyeksportować do narzędzia deweloperskiego Intel® FPGA SPOC Builder do dalszej integracji w całościowej architekturze systemu.

Intel® FPGA oferuje również zestawy dla deweloperów DSP, które umożliwiają weryfikację systemów DSP w sprzęcie w fazie prototypowej cyklu projektowego.

Skalowalność platformy

Układy FPGA Stratix® IV obsługują pionową migrację pakietów z małych na duże urządzenia. Dzięki temu projekt pojedynczej płyty można rozbudować na podstawie niewielkiego układu FPGA Stratix® IV do urządzenia EP4SGX70, czyli urządzenia o najwyższej wydajności FPGA 40 nm do przetwarzania DSP. Urządzenie EP4SGX230 jest w stanie wykonać 700 giga operacji typu pomnóż-i-akumuluj na sekundę (GMACS). Ten zakres skalowalności jest możliwy dzięki równoległej naturze przetwarzania w rodzinie układów FPGA Stratix® IV. Tabela 2 przedstawia możliwości wydajności DSP małego układu FPGA Stratix® IV.

Tabela 2. Wydajność przetwarzania bloku równoległego DSP w układzie Stratix® IV

Specyfikacja

Stratix® IV EP4SGX230

Łączna liczba mnożników 18 × 18

1288

Maksymalna częstotliwość zegara

550 MHz

Najwyższa wydajność

1288 mnożników przy 550 MHz = 708 GMACS

Układy FPGA Stratix® IV są idealne do przetwarzania filmów i obrazów, szybkiej komunikacji cyfrowej oraz innych aplikacji DSP o dużej wydajności. Zoptymalizowane bloki DSP w układach FPGA Intel® Stratix® IV w połączeniu z pamięcią TriMatrix i adaptacyjnymi modułami logicznymi (ALM) uwalniają najwyższą wydajność DSP w branży.

Przy 700 GMACS przepustowość urządzenia Stratix® IV jest o rzędy wielkości większa niż dowolnego jednochipowego procesora DSP dostępnego na rynku i łatwo spełnia wymagania nowych standardów i protokołów przedstawionych w tabeli 3.

Tabela 3. Aplikacje DSP możliwe do wdrożenia przy użyciu bloków DSP Stratix® IV

Cechy

Zastosowania w wojskowości

Radar/Sonar

Przetwarzanie obrazu

Branża nadawcza i medyczna

Komunikacja

Bezprzewodowe

Algorytmy i funkcje

  • Filtrowanie
  • Transformacje
  • Modulacja
  • Filtrowanie
  • kompresja;
  • Skalowanie
  • Szybkość przetwarzania na chip
  • Korekcja
  • Cyfrowy IF (DDC, DUC)

Standardy i protokoły

-

  • JPEG 2000
  • H.264
  • WM9
  • HSDPA, HSUPA
  • MBMS, EDCH
  • CDMA 2000, 1x EVDV
  • OFDMA
  • WiMAX (802.16d/e)

Szczegóły bloków DSP

Blok DSP układu Stratix® IV to wysokowydajna architektura krzemu o doskonałej programowalności, która zapewnia zoptymalizowane przetwarzanie w wielu aplikacjach. Każdy blok DSP zapewnia osiem mnożników 18 × 18, a także rejestry, moduły dodawania, odejmowania, akumulatory oraz jednostki sumujące, które są często wymagane w typowych algorytmach DSP. Blok DSP obsługuje całkowicie zmienne szerokości bitów oraz różne tryby zaokrąglania i saturacji, aby efektywnie i dokładnie spełniać wymagania aplikacji. Zobacz rysunek 1.

Rysunek 1. Architektura bloku DSP

Tabela 4 przedstawia zasoby DSP układów FPGA Stratix® IV.

Tabela 4. Zasoby DSP Stratix® IV

Wariant rodziny Stratix® IV Urządzenie

Mnożnik

9 × 9

Mnożnik

12 × 12

Mnożnik

18 × 18

Mnożnik

18 × 36

Mnożnik

36 × 36

Mnożnik

18 × 18
Złożone

Mnożnik

Pojedynczy punkt zmiennoprzecinkowy

Mnożnik

Podwójny punkt zmiennoprzecinkowy

Stratix® IV GX

EP4SGX70

384

384

384

192

96

96

96

38

EP4SGX110

512

512

512

256

128

128

128

51

EP4SGX230

1288

1288

1288

644

322

322

322

128

EP4SGX290

800

800

832

416

208

208

208

83

EP4SGX360

1040

1040

1040

520

260

260

260

104

EP4SGX530

1024

1024

1024

512

256

256

256

104

Stratix® IV E

EP4SE110

512

512

512

256

128

128

128

51

EP4SE230

1288

1288

1288

644

322

322

322

128

EP4SE290

800

800

800

400

200

200

200

80

EP4SE360

1040

1040

1040

520

260

260

260

104

EP4SE530

1024

1024

1024

512

256

256

256

102

EP4SE680

1360

1360

1360

680

340

340

340

136

Oprogramowanie Intel® Quartus® Prime, podobnie jak w przypadku poprzedniej generacji urządzeń Stratix®, nadal zapewnia optymalne mapowanie algorytmów DSP do struktury ALM Stratix® IV, pamięci TriMatrix i bloków DSP z narzędzi i bibliotek programistycznych specyficznych dla HDL i DSP.