Ögonöppnare för DSP-konstruktör Analysföretaget Berkeley Design Technology, BDTI, har nyligen släppt en rapport, kallad FPGA for DSP. Det är den allra första medlemmen i en ny serie tekniska analysrapporter från företaget. Rapportens syfte är att undersöka och förklara hur FPGA-kretsar kan användas i signalbehandlings- tillämpningar. När är det vettigt att använda en FPGA, och när är en DSP att föredra? Här presenteras Alteras Stratixfamilj liksom Xilinx Virtex-II-familj, samtidigt som väsentliga skillnader i de två arkitekturerna lyfts fram. Alla detaljer och resultat kring prestandatestet som presenteras i artikeln intill finns publicerade i rapporten. Mer information finns på webbsidan www.bdti.com/products/reports_focus.html

- Vi är förvånade hur mycket bättre FPGAn presterade i vårt test, säger Jeff Bier, vd och medgrundare av Berkeley Design Technology.

Företaget har under många år utvecklat prestandatester för att utvärdera signalbehandlingsförmågan hos olika digitala signalprocessorer och generella processorer. Över 50 processorer har testats under årens lopp.

- På senare tid har emellertid Altera och Xilinx introducerat två FPGA-arkitekturer som fullt ut fokuserar på signalbehandlingstillämpningar. Det har gjort att vi nu även vill utröna hur väl dessa kretsar klarar sig i konkurrensen.

Men en FPGA kan inte testas på samma sätt som en processor, vars beräkningsförmåga i stort domineras av ett antal algoritmer. Istället stod det tidigt klart att man måste utveckla ett test som mer kan liknas vid en hel tillämpning.

En informell marknadsundersökning visade att utvecklare av kommunikationssystem har stort intresse av den nya typen av FPGA-kretsar. Valet föll därför på att utveckla ett test som simulerar en mottagare i ett kommunikationssystem, närmare bestämt en OFDM-mottagare (ortogonal frequency division multiplexing). Tanken är att på så sätt få en uppfattning om hur många kommunikationskanaler en krets, vare sig det är en DSP eller FPGA, kan stödja.

I en första vända inbjöds FPGA-tillverkarna Altera och Xilinx samt DSP-tillverkarna Texas Instruments och Motorola att anta utmaningen och låta testa var sina kretsar. Xilinx och Texas Instruments avböjde av okänd anledning. Altera ställde däremot upp med EP1S20, som är en mellanklassmedlem i företagets nya Stratixfamilj, medan Motorola antog utmaningen med signalprocessorn MSC8101DSP, som är baserad på Starcore-kärnan SC140.

Överraskande resultat
- Resultatet var överväldigande. Alteras FPGA beräknas stödja mer än ett dussin kommunikationskanaler, medan Motorolas DSP enbart stödjer en femtedels kanal, säger Jeff Bier.

Eftersom Alteras krets, EP1S20, ännu inte finns tillgänglig har alla resultat baserats på simuleringar. BDTI har dock skärskådat både Alteras och Motorolas implementeringar i detalj och så fort EP1S20 kommer i kisel ska resultatet verifieras.

Jeff Bier medger också att BDTI tittat på Texas Instruments flaggskepp C6416, men inte heller den klarar att stödja en hel kommunikationskanal själv.

Slutsatsen är att en FPGA kan vara ett betydligt bättre alternativ i en signalbehandlingstillämpning än en signalprocessor.

- FPGAer passar framför allt i kommunikationstillämpningar eftersom det där ofta handlar om massiva beräkningsmiljöer där förutsättningarna ändras. Marknaden ändras och standarderna ändras och det gör att asicar blir för dyra, medan DSPer inte har tillräcklig prestanda.

I dag är det endast FPGA-arkitekturerna Stratix från Altera och Virtex-II och Virtex-II Pro från Xilinx som har förutsättningar att klara detta, menar Jeff Bier. Men trots att de två arkitekturerna är mycket olika i flera aspekter vill han inte säga att den ena är bättre än den andra.

Minnesarkitekturen är ett exempel på detalj som skiljer stort. Altera har mindre, men fler, minnesblock jämfört med Xilinx. Det gör att Alteras kretsar borde passa bättre i tillämpningar som kräver mycket minnesbandbredd. Å andra sidan går det att använda rekonfigurerbara logikblock för att skapa minne i Xilinx arkitektur.

- Framöver kommer vi även att testa Xilinx kretsar, endera i samarbete med företaget eller på eget initiativ. Och då får man ett jämförande resultat att utgå ifrån.

Fler tester på gång
På BDTIs agenda står dessutom att ta fram prestandatester för andra tillämpningar, som multimedia och 3G. Vilken som blir klar först är ännu osäkert, men det lutar mot tester för multimedia.

Hur traditionella DSPer kommer att stå sig i dessa tester är för tidigt att säga, men FPGAer är inte alltid att föredra.

- DSPer är bättre i tillämpningar där algoritmen är komplicerad, som vid MP3-kodning av ljud eller då algoritmen har inbyggda beslut, som i en komplicerad styrtillämpning.

Till detta hör att processorerna har mogna och mycket avancerade verktyg, vilket underlättar vid konstruktionen.

- Generellt kan man säga att det tar fem gånger längre tid för en duktig FPGA-konstruktör att ta fram en lösning än för en duktig DSP-konstruktör, säger Jeff Bier.

Anna Wennberg