Performancevergleich DSP vs. FPGA

Werner FRIESENBICHLER

0526423

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Aufgabenstellung

Wählen Sie (begründet) einzelne Benchmark-Applikationen und diskutieren Sie Hinweise dafür, warum diese auf einem FPGA bzw. auf einem DSP bessere Performance erreichen können.  

Wie sieht das für ASIC bzw. Standard-Prozessor aus?

Lassen sich allgemeine Schlüsse für einen Performance-Vergleich HW/SW ziehen?

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Benchmarks für digitale Signalverarbeitung

Einfache Operationen der digitalen Signalverarbeitung– MAC/s (Mutliply and Accumulate), einfach aber ungenau

Volle Applikation – System Performance– Modem, Decoder, zu aufwendig, für DSPs alleine ungeeignet

Kernels– FFT, FIR, IIR, Viterbi-Decoder, optimal für DSPs aber auch für

FPGAs?

Für FPGAs sind solche Kernels ungeeignet– Nicht nur dezidierte DSP-Einheiten sondern auch verteilte Ressourcen– Unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten

Was geben nun die Hersteller an?

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Benchmark Vergleich

DSP– Texas Instruments, C6x Serie, 1 GHz, 8 GMAC/s, 1.65 W,

$100, (Fixed P.)– Analog Devices, TigerSharc, 600 MHz, 4.8 GMAC/s, 1.5 W,

$177, (Floating P.)

FPGA– Altera Stratix II: 384 18x18-bit Mult., 450 MHz, 346 GMAC/s,

z.B. 3.45 mW/MHz pro Mult., $200 - $10.000– Xilinx Virtex-5 SXT, 550 MHz, 350 GMAC/s, >$300– Xilinx Spartan-3A DSP, 30 GMAC/s, $30 (!) (Xilinx Feb 2007)

… bis zu 40x schneller als DSPs

Stimmt das auch in der Realität?

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DSP-Benchmarks für FPGAs

Berkley Design Technology Inc. (BDTI) => einzelne Algorithmen sind ungeeignet für einen echten Performance-Vergleich DSP vs. FPGA

Betrachtung einer kompletten Applikation Beispiel: OFDM-Empfänger (http://www.bdti.com/)

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20 x

Vergleichsparameter & Ergebnisse

Zwei Ziele festgelegt:1) Maximierung der Anzahl der Kanäle

2) Minimierung der Kosten pro Kanal

Ergebnisse (2006)Sind FPGAs daher besser ?

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Resümee des BDTI-Benchmarks

FPGAs zeigen höhere Performance als DSPs, aber ...– FPGA schlägt DSP in Kosten / Kanal (Faktor 10-20)– Höhere Gesamtkosten– Komplexerer Designprozess (VHDL, Verilog, Synthese,

Hardwarekenntnisse)– Softwaretechniker haben oftmals keine adequate Ausbildung

in Hardware-Entwicklung und Hardware-Entwurfssprachen– Nicht so ausgereifte Design-Tools wie für DSPs (trotz IP-

Cores)

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Gründe für unterschiedliche Performance

DSP– 1 oder 2 Rechenwerke– Optimaler Zugriff auf Befehls- und Datenspeicher– Effizienter Befehlssatz (VLIW)– Serieller Algorithmus auf Geschwindigkeit optimiert

FPGA– „Sea of Gates“– hohe Anzahl von DSP-Funktionen (Multiplizierer) = viele

Rechenwerke– Paralleler Algorithmus– Probleme bei Speicherzugriff, variable Koeffizienten– Performance hängt stark von der Applikation ab

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Performance-Vergleich HW/SW Stärken

Hardware (FPGA) Repetitive Algorithmen Hohe Rechenleistung durch

Parallelisierung Unterschiedliche Bit-Breiten

in einem System (Resolution Optimization)

Physikalische Layer-Implementierung (Ethernet)

Validation / Verifikation nicht so aufwendig wie in SW

Software (DSP) Adaptive Algorithmen,

Verzweigungen Billig – Consumer Products Kurze Entwicklungszeiten Timinganalyse unkritischer

(vgl. SPEAR) Floating Point Units bereits

vorhanden Protokoll-Stacks (TCP, UDP)

Pre-Processing Post-Processing

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Schlussfolgerung: Warum nicht beides nutzen...

FPGA als Co-Prozessor eines DSP Bildverarbeitung

– FPGA übernimmt repetitiven Aufgaben (Filter, Maskierung, etc.), DSP kümmert sich um Objekterkennung und Programmfluss

– JPEG2000 (10x höhere Performance mit Co-Prozessor, http://www.broadmotion.com)

Kommunikation, Netzwerk– Navigationsempfänger, Radar, Aerospace, Military

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ASIC & Standardprozessor

ASIC+ höhere Packungsdichte, mehr Performance, geringe

Verlustleistung, billiger bei hohen Stückzahlen– nicht rekonfigurierbar, hohe Einmalkosten

Standardprozessor (Pentium, PowerPC)+ 64-bit Architektur (4 x Standard DSP), SIMD Instruction Sets,

höhere Peak-Performance als DSPs– höhere Leistung, teurer, Probleme beim Handling großer

Datenmengen, Ausführungszeiten schwierig vorhersagbar – Probleme bei Echtzeitanwendungen (http://www.bittware.com)

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DSP vs Standardprozessor (1)

www.univ.trieste.it/~carrato/didatt/dsp_mcu/dsp/slides/dsp_intro_3.ppt

FIR Filter (Clockzyklen)

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DSP vs Standardprozessor (2)

FIR Filter (Ausführungszeit in Mikrosekunden)

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DSP vs Standardprozessor (3)

Leistungseffizienz

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Quellen

http://www.xilinx.com http://www.altera.com http://www.analog.com/processors http://dspvillage.ti.com http://www.dsp-fpga.com http://www.bdti.com The Art Of Processor Benchmarking: What makes a good benchmark,

and why you should care (http://www.bdti.com/articles/artofbenchmarking.pdf)

http://www.embedded.com Altera FPGA Replaces 64 DSP Devices in Fairlight's New Media

Processing Engine (http://www.altera.com/corporate/news_room/releases/products/nr-fairlight.html)