Prestazioni Dsp avanzate con gli odierni Fpga

L'elaborazione dei segnali è l'elemento di connessione tra il mondo reale e quello del calcolo. Mentre nuovi e sempre più sofisticati algoritmi vengono sviluppati per sfruttare al meglio le potenzialità dei sistemi per il trattamento dei segnali, le richieste in termini di prestazioni di questi algoritmi continuano ad aumentare in maniera esponenziale. Da circa un decennio gli Fpga dispongono di funzioni di elaborazione Dsp dedicate. In questo lasso di tempo, mentre le prestazioni delle funzioni Dsp ospitate all'interno di questi componenti programmabili sono incrementate a circa 700 GMac/s (Multiply/Accumulate al secondo), i processori Dsp tradizionali hanno evidenziato un ben più modesto incremento a circa 10 GMac/s. In alcune applicazioni non sono richieste prestazioni Dsp particolarmente spinte: esse si possono considerare equivalenti a quelle offerte dagli Fpga low cost della linea Cyclone IV, dell'ordine cioè di 90 GMac/s. Si tratta comunque di un livello di prestazioni di gran lunga superiore rispetto a quello offerto da più processori Dsp che vengono impiegati in un gran numero di applicazioni. In queste ultime quindi un singolo Fpga della linea Stratix IV può sostituire parecchi processori Dsp, con sensibili risparmi in termini di consumi, ingombri e costi, senza penalizzazione alcuna in termini di prestazioni.

Applicazioni esigenti
Prestazioni di elaborazione Dsp sempre maggiori sono richieste in un gran numero di comparti applicativi, tra cui infrastrutture wireless, apparecchiature per il broadcasting video, sistemi di imaging per uso medicale e apparati militari. Gli Fpga stanno diventando la piattaforma Dsp programmabile standard “de facto” in grado di soddisfare al meglio i requisiti di queste applicazioni.
A questo punto è utile chiedersi perché gli Fpga siano così idonei per l'elaborazione Dsp. Ciò è imputabili a diversi fattori tra cui il numero di moltiplicatori disponibili, la quantità di ampiezza di banda di memoria distribuita a bordo del chip, l'elevata ampiezza di banda di I/O, così come l'estrema flessibilità dell'architettura del percorso dati, peculiarità questa tipica delle logiche programmabili. Un aspetto che forse non è stato sottolineato abbastanza è il fatto che gli Fpga permettono di effettuare l'elaborazione Dsp con consumi molto bassi e a fronte di una diminuzione sia dei costi del sistema sia degli ingombri a bordo della scheda.
I progettisti di sistemi Dsp possono realizzare una scheda equipaggiata con una o più Fpga che altrimenti richiederebbe dozzine di processori Dsp e presumibilmente un numero maggiore di schede. Poiché gli Fpga sono in grado di supportare una migrazione di tipo verticale - in termini di capacità - all'interno del medesimo package, il progetto di una singola scheda e di un sistema può essere facilmente adattato in termini di funzionalità senza richiedere lo sviluppo di più schede. Ciò garantisce una maggiore flessibilità nella realizzazione di una linea di prodotti a fronte di una sensibile riduzione sia dei tempi di ingegnerizzazione sia dei costi di verifica.

Infrastrutture wireless
Un esempio di applicazione che sfrutta questa dote di  flessibilità è rappresentato dalle infrastrutture wireless: in questo caso gli Fpga vengono utilizzati per realizzare schede radio versatili capaci di supportare svariati standard e, grazie alla migrazione verticale, differenti densità di ampiezze di banda RF. Il nuovo standard Lte basato sulla tecnologia Ofdma è caratterizzato da un'ampiezza di banda RF configurabile che consente ai fornitori di servizi di convertire la porzione di spetto che hanno in licenza in Lte in misura proporzionale al tasso di adozione da parte degli utilizzatori. Soluzioni basate su Fpga a basso costo e flessibili consentono a una combinazione di sistemi di nuova generazione e di vecchia generazione (Cdma e Gsm) di condividere i medesimi sistemi d'antenna e terminali radio (radio head). La combinazione di diverse tecnologie wireless richiede l'esecuzione di conversioni verso l'alto e verso il basso con prestazioni GMac/s superiori a quelle che i processori Dsp attualmente disponibili sono in grado di offrire. Oltre a ciò, le nuove funzionalità che permettono di incrementare l'efficienza dell'amplificatore di potenza e diminuire i costi sono implementate in modo digitale, ragion per cui richiedono prestazioni ancora maggiori in termini di GMac/s. Le elevate prestazioni per quel che concerne l'elaborazione Dsp e la possibilità di riconfigurare l'hardware del terminale radio mediante un aggiornamento del firmware dell'Fpga sono elementi che sicuramente favoriscono l'adozioni di Fpga in questa specifica applicazione.
All'aumentare dell'ampiezza di banda è chiaro che è necessario ricorrere a I/O seriali ad alta velocità. I costruttori di Fpga sono ora in grado di offrire queste interfacce - unitamente a un aumento delle prestazioni in termini di GMAC/s - in tutte le tipologie di Fpga (ovvero di fascia bassa, media e alta). Una volta definita la configurazione del terminale radio, è possibile effettuare la conversione in un'implementazione mediante Asic, il che si traduce in un'ulteriore diminuzione sia dei costi sia dei consumi.
L'evoluzione della tecnologia degli Fpga ha comportato anche la messa a punto di tool per lo sviluppo a livello di sistema che consentono la realizzazione di architetture flessibili, scalabili e ad alte prestazioni. Sia i produttori di Fpga sia quelli di tool Eda hanno realizzato soluzioni che contemplano tool per la modellazione di sistemi Dsp e per l'integrazione a livello di sistema, oltre a blocchi IP per l'elaborazione del controllo, acceleratori automatici  C-to-Hardware (C2H) e blocchi IP ottimizzati per applicazioni Dsp che contribuiscono a migliorare ulteriormente il processo di progettazione complessivo.

Una soluzione flessibile
In definitiva si può affermare che l'elaborazione del segnale di sistemi ad alte prestazioni è ora implementata mediante Fpga. Questi dispositivi, oltre a garantire prestazioni di elaborazione del segnale nettamente superiori rispetto a quelle dei tradizionali dispositivi a semiconduttore, mettono a disposizione una soluzione flessibile in grado di soddisfare tutti i requisiti degli utenti in termini di riduzione dei costi e dei consumi, diversificazione dei prodotti e prolungamento del ciclo di vita degli stessi.