賽靈思未來競爭的關(guān)鍵點(diǎn)：硬件實現(xiàn)軟件算法時對整個算法質(zhì)量的極大提升

背景：

快速傅里葉變換(FFT)在雷達(dá)、通信和電子對抗等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。近年來隨著現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的飛速發(fā)展，與DSP技術(shù)相比，由于其并行信號處理結(jié)構(gòu)，使得FPGA能夠很好地適用于高速信號處理系統(tǒng)，但是，由于Altera等公司研制的FFT IP核，價錢昂貴，不適合大規(guī)模應(yīng)用，在特定領(lǐng)域中，設(shè)計適合于自己領(lǐng)域需要的FFT處理器是較為實際的選擇，下面將關(guān)注一些關(guān)于流水級FFT處理器的一些最新發(fā)展。

SDF FFT Core → FPGA DSP slice:

近期，在IEEE VLSI系統(tǒng)專欄學(xué)報處有一篇12頁的題為“Efficient FPGA Mapping of Pipeline SDF FFT Cores”的新論文即將被發(fā)表（在IEEE Xplore可見）。而在這篇論文中作者就如何將一個SDF（single-path delay feedback單路延遲反饋）FFT核映射到Xilinx的全可編程芯片內(nèi)部的DSP48 slices的可編程邏輯及其他可用的存儲資源上進(jìn)行了深入周密的細(xì)節(jié)性討論。盡管這篇論文主要是針對Virtex-4和Virtex-6系列FPGA進(jìn)行討論的，但是作者也明確指出，由于Xilinx 7系列和UltraScale/UltraScale+ 系列FPGA與Virtex-6使用相同的slice 架構(gòu)，所以這種映射其實很容易被推廣的。

在論文中，作者詳細(xì)闡述了Xilinx的產(chǎn)品，主要是從Virtex-4 FPGA開始到Xilinx后來的所有全可編程芯片等多代產(chǎn)品內(nèi)部的DSP48 slices的一個發(fā)展過程：首先，Virtex-4 FPGA系列包含一18X18bit乘法器和48bit累加器的XtremeDSP（DSP48）；之后的Virtex-6系列FPGA加入了25x18bit乘法器和48bit累加器的DSP48 slices ；較新的7系列FPGA和Zynq-7000系列SoC則內(nèi)嵌了25x18bit乘法器和48bit累加器的DSP48 slices；而最強(qiáng)的UltraScale/UltraScale+系列FPGA則包括了27x18bit乘法器和48bit加法器的DSP48E2。除此之外，在Xilinx每一代FPGA的DSP48 slices的發(fā)展中都有很多額外的改進(jìn)，比如時鐘率具有較穩(wěn)定的提高，也正是這么多代產(chǎn)品的不斷迭代，才使得現(xiàn)在的DSP48E2 功能更加強(qiáng)大。下圖是論文中作者提到的關(guān)于DSP48E2 功能實現(xiàn)的細(xì)節(jié)。

圖1 DSP48E2 功能細(xì)節(jié)

同時，在這片IEEE的論文中還討論了如何將此FFT核蝶形轉(zhuǎn)換到較少的LUT單元中，而如何有效轉(zhuǎn)換關(guān)系到是否可以實現(xiàn)DSP48 preadders的蝶形地址，在實現(xiàn)過程中，通過將有效的數(shù)據(jù)映射和轉(zhuǎn)換因子存儲到BRAM 及分布式存儲資源中，有效地完成 radix-2k算法轉(zhuǎn)換因子的共享，此外采用重新定時和流水的方式來縮短實現(xiàn)時間。

雖然這篇博客展示的任何技術(shù)都是來自于論文中，讀者也可以從IEEE論文網(wǎng)站得到，但是還是會給出論文中的一些結(jié)論（以便可以提起您去檢索并閱讀全文的興趣）：“報告的實現(xiàn)結(jié)果表明，相比于之前的有關(guān)實現(xiàn)而言，通過利用Virtex-4和Virtex-6內(nèi)部的DSP48實現(xiàn)一個FFT核，可以使其性能分別提高350%到400%，同時，還可以獲得一個更高的混合時鐘頻率，并且整個實現(xiàn)過程只需要更少的存儲資源。這也正好如以前發(fā)表過的最好的報告結(jié)果一樣，都是使用完全一樣的架構(gòu)，使用同Virtex-4完全一樣的算法，也體現(xiàn)出這種轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢十分明顯，所以，為提高性能，可以嘗試將架構(gòu)映射到FPGA硬件結(jié)構(gòu)中來實現(xiàn)。

總結(jié)：

在目前的市場中，尤其是一些互聯(lián)網(wǎng)公司，都開始利用FPGA做硬件加速的實現(xiàn)，不僅是因為FPGA的可用性，更主要的是各大公司都看中了硬件實現(xiàn)軟件算法時對整個算法質(zhì)量的極大提升，這類市場也恰好是我們Xilinx未來競爭的關(guān)鍵點(diǎn)所在。