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FPGA和DSP明争暗斗 意图抢占20亿美元高性能信号处理-市场

  与此同时,从全球市场看,韩国半导体企业也展现出了其强势的一面。韩国产业研究院的研究报告显示,2017年第三季度,三星电子在全球半导体市场中的占有率最高,达到46.4%。SK海力士的占有率达28.1%,位居全球第二。仅三星电子和SK海力士两家韩企合在一起,就占据了全球半导体市场74.5%的份额。从销售额来看,三星电子2017年半导体销售额为612亿美元,在全球半导体企业中位列第一。SK海力士2017年半导体销售额为263亿美元,在全球位列第三。

  FPGA和DSP明争暗斗 意图抢占20亿美元高性能信号处理市场

  FPGA和DSP明争暗斗 意图抢占20亿美元高性能信号处理市场

  经过20多年的努力后,在工艺技术进步和市场需求的推动下,“大器晚成”的FPGA终于从外围逻辑应用进入到信号处理系统核心。在多个应用场合击败ASIC后,现在FPGA厂商又开始将目光瞄向了一向是亲密战友的DSP阵营。

  意法半导体微控制器和数字集成电路产品部总裁Claude Dardanne 表示:“ST的新型神经网络开发工具箱正在将AI引入基于微控制器的智能边缘和节点设备,以及物联网、智能楼宇、工业和医疗应用中的深度嵌入式设备。”

  本手册适用于JoybeeDA102、DP200、DA120、DA120+、DA121、DA125、D....

  同属可编程处理平台,尽管FPGA和DSP芯片供应商表面上惺惺相惜,但面对20亿美元的新兴高性能信号处理市场,他们的暗战已经开始。前者将DSP功能从高端FPGA平台扩展到了低成本FPGA,并加强了相关开发工具,希望在复杂算法和大量并行处理中补充甚至完全替代DSP,从DSP应用中的配角变成主角;而后者则通过集成ASIC的DSP SoC和多核DSP提升处理能力,目的也是减少FPGA和ASIC的使用,捍卫DSP的主角地位。此外,一些初创公司也在开发并行阵列处理器,宣称能在单芯片上以相对较低的时钟频率和功耗获得“前所未有的DSP性能”。

  智慧城市的核心目标之一是实现城市的智慧交通,而实现智慧交通就需要将车辆进行数字化升级。几年前,物联网行业里有了一个新名词——汽车电子标识(俗称电子车牌),它是实现车辆数据信息化的一种新型技术手段。作为智慧交通建设的基础,汽车电子标识的推广和普及已经迫在眉睫。近日,深圳市航天华拓科技有限公司(下文简称“航天华拓”)副总经理曾列丹接受了RFID世界网记者的专访,谈及对汽车电子标识推进工作的一些想法。

  三)ExpediTIon EnterPrise系列是Mentor公司的明星产品,简称EE.主要面对的是中高端客户的需求。在多层板,推挤,自动布线等等方面都有业内领先的技术水准。其中原理图工具主推Dxdesigner,PCB工具是ExpediTIon PCB(很多人喜欢称作WG,及workgroup)。Mentor还有一个BoardstaTIon(EN)系列工具,现在很多功能都整合到了Expedition当中。感觉Boardstation(EN)系列会慢慢退出历史舞台,被EE系列完全替代。另外在国内使用的人数也很有限,参考资料和软件都相当难找。

  尽管FPGA和DSP一样拥有20多年的历史,但和DSP早早成名相比,FPGA由于成本、功耗和性能限制,一直在系统外围暗自发力,从最初用于胶合逻辑,到用于控制逻辑,再到用于数据通路,艰难地接近系统核心。传统上,FPGA被用作DSP解决方案中所需要的系统逻辑、多路处理及合并,或是多I/O接口。

  进入21世纪后,FPGA终于迎来了“修成正果”、与CPU、DSP并列于系统核心的最好机会:一方面,随着90和65纳米工艺的采用,FPGA在成本、功耗和性能上大幅改善,具备成为系统核心的条件;另一方面,三网合一(Tri-play)和融合时代来临,要求复杂和大量并行处理,DSP在做并行处理时不如FPGA,这为具有强大并行处理能力的FPGA带来了需求。

  采购项目名称:惠州学院信息科学技术学院嵌入式移动互联综合实训室实验仪器设备及相关服务采购项目(包01重新招标)

  正是因为如此,从90纳米开始,FPGA巨头们就争相推出面向DSP应用优化的高端FPGA平台,并在65纳米FPGA中进一步增强了DSP功能。例如,赛灵思面向DSP应用的XtremeDSP产品线包括高端的Virtex-4 SX和Virtex-5 SXT,不久前又推出了低成本Spartan-3A DSP系列,而Altera的Stratix II和Stratix III,以及65纳米低成本Cyclone III系列同样强调DSP应用。他们的高端FPGA平台,瞄准的是高端通信和视频应用,如无线基站和包括监控、广播以及3D医疗图像在内的高分辨率视频应用;低端平台则定位于大量对价格和功耗都很敏感的应用,包括微蜂窝基站、军用移动软件定义无线电、超声系统、辅助驾驶/多媒体系统、高清视频以及智能IP相机等这些也都是传统DSP芯片看重的新兴应用。

  赛灵思公司中国区运营总经理吴晓东强调说:“为什么会用FPGA做DSP应用呢?DSP表示的是数字信号处理,并不代表DSP芯片,实际上数字信号处理有很多不同实现方法,可以用DSP芯片,也可以是MCU,还可以是FPGA和ASIC作数字信号处理。事实上,由于FPGA是一个天生的并行处理结构,因此在进行复杂计算时性能远远超过传统DSP芯片。”

  赛灵思亚太区市场营销董事郑馨南表示,过去20年里算法复杂性快速提升是推动FPGA进入DSP应用的最重要市场动力。他以通信领域为例回顾DSP应用历史说,20世纪70年代,DSP应用的驱动力为语音频带,性能需求的数量级为“KHz”,微处理器和MCU可以满足需求;20世纪80、90年代,无线电为DSP应用驱动力,性能需求为“MHz”级,DSP独领风骚;而进入21世纪,三网合一(Tri-play)要求非常复杂的处理,只有DSP+FPGA才能够满足需求。

  在2019年,人工智能(AI)将越来越多地被视为物联网和工业物联网 (IndustrialIoT, IIoT) 所需的超高效率解决方案,通过机器视觉和机器学习实现边缘推理。Nordic越来越期望蜂窝通信能够在IoT和IIoT内实现所需的极低延迟的、接近实时的通信。

  从Xilinx 27年间的收入曲线年间,其收入基本是保持在一个稳定的水平,而2011年却开始了高速增长,年增长率达到30%。这也说明,经历了几年平稳发展的时期,PLD市场已经迎来了全面爆发的时期。

  吴晓东进一步解释说,传统DSP芯片是实时信号处理的最佳答案,但它毕竟是一个串行结构,进行复杂运算时可能来回循环几百次,因此速度反而不是很快,单个DSP处理器很难满足5GMACS以上性能需求;而FPGA是天生的并行处理结构,包含了几百个MAC单元,因此性能远远高于传统DSP芯片,例如我们的Virtex-5 SXT FPGA在550MHz下性能可达550MSPS;而主频为1GHz的DSP性能只能达到8MSPS。他总结说:“由于FPGA可以弥补DSP芯片的不足,在信号处理系统中FPGA与DSP相得益彰。”他一再强调FPGA不是要与DSP直接竞争,“我们现在更多的还是互补的关系。”

  他举例说,以前视频监控应用的通道数不多,对图像质量和实时性等也要求不高,很少有人用FPGA;但是随着监控由标清转向高清,从单通道转到八通道,从非实时转到对实时的要求,外加人脸识别和运动估计等分析功能,普通DSP就很难实现,需要多片DSP来一起处理,成本十分昂贵。而用DSP+FPGA的方式则十分完美,可以大大节省成本。其中,FPGA用于加速实时视频处理和压缩,而DSP运行实时操作系统和第三方分析软件。

  对于另一个目前的大热市场,3G和WiMAX基站,他则表示可利用FPGA的并行处理能力来设计数字上下变频器,因为对于需要多载波的数字变频器,并行的FPGA是最好地选择;而DSP则适合于变频后的符号率处理。

  但是,DSP厂商绝不会只满足于仅做后端的符号处理,比如TI早就推出针对数字上下变频的产品。

  另一边,赛灵思实际上也并不满足于协处理器的位置。在其代理商安富利前不久举办的“安富利与赛灵思技术研讨会”上,安富利展示的一些视频应用已完全将FPGA作为主芯片,并不是协处理器来使用。作为赛灵思最主要的方案推广商,这也暗示了FPGA未来要走的路。

  清科医疗内部投研监测数据显示,从2018年来看,医疗健康融资数量减少,但融资总额逆势增加。今年前三季度,全球共发生780起融资,总金额225亿美元,同比增加20%,平均融资额达2800万美元。其中,中国前三季度融资总额80亿美元,超过2017年全年总额。

  对于来自战友的挑战,DSP厂商正在通过集成ASIC+DSP的SoC(系统级芯片)和多核DSP提升处理能力,目的也是减少FPGA和ASIC的使用,捍卫自己的主角地位。

  对于FPGA作为协处理器的观点,TI中国区通用DSP业务拓展经理郑小龙也表示认同,他指出:“在需要高级别并行处理的情况下FPGA是一种选择,也是FPGA最适合的场合。在高性能和多通道应用中采用DSP+FPGA往往更能胜任,而不是单独采用其中某一种平台。有了可编程DSP,大多系统控制、排序化处理、用户功能化和信号处理可在DSP上运行。如果要加快并行处理,采用FPGA就理所当然。”

  但郑小龙同时指出,当某个应用中FPGA实现的并行加速处理达到一定市场规模而足以进行专用集成时,TI会将硬件加速器集成到DSP中去,这样可以比外挂FPGA在获得同样性能的前提下价格和功耗保持在一个较低的水平。他解释说:“虽然FPGA能提高信号处理链路的速度,但随着技术成熟,这些功能可以以较低成本集成到DSP处理器中,比外加一个芯片效率更高。因此,对于那些特定应用,DSP将提供更优异的解决方案。

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  另外,TI还通过多核DSP提升性能。一个典型的例子就是,TI不久前针对WCDMA基站推出了高集成度的TCI6488,它采用3个1GHz DSP核,能够在单芯片上支持宏基站所需的所有基带功能,无需FPGA、ASIC及其它桥接器件。这是因为TCI6488中已经包含了WCDMA系统处理所需的专用协处理器,例如传统DSP中没有的Viterbi(VCP2)与Turbo(TCP2)协处理器过去它们或采用FPGA/ASIC来实现,或要靠DSP核来解决,这就需要增加额外的DSP。TCI6488还具有典型DSP所没有的多种外设,如新兴的高速天线接口OBSAI/CPRI,而其它没有这种接口的器件必须采用一个FPGA或ASIC管理协议转换。此外,如果一个系统需要规模扩展到去支持更多的用户,TCI6488还可以通过采用RapidIO接口或者外设去实现互连。郑小龙总结说:“TCI6488是一个三核DSP,它具有很大的处理能力去支持多种多样的基带处理,无需ASIC/FPGA参与。”

  他还强调说,单核DSP同样可以取代DSP+FPGA/ASIC方案,只是单核DSP SOC只可以支持有限数量的用户,而多核DSP则能够支持更多用户和更多功能。郑小龙指出:“只要DPS具有恰当的外设、协处理器和处理速度(MIPS)去有效实现所需的功能,它就可以成为SoC。在一些情况下,处理需求受到现行技术的限制,就必须考虑多核,例如TCI6488具有总计3GHz性能来满足指定需求,而单个的3GHz核在当今还不能实现,所以就要采用多核。”

  其实,吴晓东也坦承FPGA和DSP虽然不是替代关系,但也存在一定的竞争关系,尤其是Spartan-3A DSP这种低成本FPGA开始覆盖更广阔的DSP应用(1-30 GMACS性能范围),与DSP的竞争难免。他表示:“目前趋势是一个往下走(FPGA),一个往上走(DSP),双方都为了弥补性能上的鸿沟,都是为了更好满足市场需求,最终的抉择取决于客户和应用。”吴晓东指出,很难为客户选择DSP还是FPGA划定一个明显的界限,目前看来5GMACS以下普通DSP容易实现,5GMACS以上可能就需要多片DSP去处理,这时候FPGA更有优势。

  而作为信号处理的传统主导者,TI则认为未来DSP将继续是用户的首选。郑小龙表示,高速数字信号实时处理是DSP和FPGA所共同面对的应用,两者都属于可编程处理平台,但实现的方法却大相径庭,DSP采用软件编程,而FPGA则借助硬件编程手段。当一个软件可编程DSP被用于承担任何一种处理负载时,它就可以成为优选的平台,因为相比其它处理器,DSP可以在较低的成本下同时具有好的性能和功耗。他强调说:“通过在DSP平台上持续发展多种多样的外设、嵌入式软件、加速器和协处理器,TI DSP将持续保持作为今天和未来实时应用中优选系统构架的地位。”

  但是,吴晓东也表示,他们通过将XtremeDSP核固化后,可以将功耗大大降低,且在实现MAC功能时,比DSP具有更低的成本。比如通过Spartan-3A可实现性能超过20GMACS,但成本不到30美元的方案。

  嵌入式及手机应用都会受到处理能力,内存和功耗的严重制约。Qeexo嵌入式机器学习是高度优化过的,允许在边缘设备上进行推理,这也使得它本身可应用的范围变得更广。

  “一直以来我们都是立足于电源管理做相关芯片的自主开发设计。” 英麦科(厦门)微电子科技有限公司(下称“英麦科”)联合创始人、副总经理刘义告诉DIGITIMES。在今年的IC China展会上,英麦科展出了一系列自主研发设计的高集成度数字模拟混合芯片以及高性能模拟芯片产品。

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  据刘义介绍,公司目前开发的项目包括带电源管理的MCU芯片、Type C 接口芯片。其中第一个自主开发的项目便是带电源管理的MCU芯片,主要针对对讲机市场,把原有方案里的12颗IC和45颗电阻集成在一个单一的芯片上,打造成一颗多功能的高集成度数模混合芯片;第二个自主开发项目是Type C接口芯片,主要针对的是现有市场存在各种接口不兼容的问题,Type C以一种新的标准替代现有的各种接口,提高其通用性。

  在TI看来,多核和SoC是高性能DSP未来的发展方向。郑小龙介绍说,TI对高性能DSP的展望包括增强灵活的协处理器,与单核或多核DSP协作。这些下一代的DSP将整合许多现在所使用的ASIC类型功能,还将支持更多特性和性能,并有能力运行在更高速度以支持更多的数据吞吐量。通过性能提升,DSP在目前采用CPU或ASIC的应用领域中更有优势部分地取代任何一种。事实上,在大众市场上,TI已经有DSP和CPU相结合的产品推上市场,也就是已经量产的“达芬奇(DavVinci)”系列产品。

  在多核DSP方面,目前的TI多核产品设计为满足不同细分市场的不同需求。TCI6488目标是无线基站处理市场;TNETV3020针对有线网络的高密度语音市场。前者采用3个1GHz DSP核,后者则采用了6个500MHz DSP核。

  不过与TI、飞思卡尔等厂商的多核DSP策略有所不同的是,许多初创公司正在开发并行阵列处理器芯片,宣称能在单一芯片上以相对较低的时钟频率和功耗获得“前所未有的DSP性能”。

  服务器虚拟化技术可以在单一的物理服务器上运行多个虚拟服务器,并且为虚拟服务器提供了能保证其正常运行的硬件资源抽象,比如虚拟BIOS、虚拟CPU、虚拟内存、虚拟I/O设备等等,同时还可以使虚拟机具备良好的隔离性和安全性。在云计算中,服务器虚拟化技术也可以将一个云计算服务器虚拟成若干个服务器使用,但服务器虚拟化需要具有封装性、多实例、隔离性和高性能这些特性,才能保证在实际环境中进行有效的运用。封装性指的是硬件无关性,意思是在使用了服务器虚拟化技术后,一个完整的虚拟机环境对外表现为一个单一的实体,便于在不同的硬件间备份、移动和复制等。多实例是指在一个云计算物理服务器上,支持多个客户操作系统,运行多个虚拟服务器。隔离性是指当服务器虚拟化为多个实例时,一个虚拟机与其他虚拟机能够完全隔离。使用隔离机制的好处是即使其中的一个或几个虚拟机因意外发生崩溃,其他的虚拟机也不会泄露数据,受到任何影响,保障了数据的安全。高性能是指服务器虚拟化的性能损耗要被控制在可以承受的范围之内。

  车联网项目可以将蓝牙、Wi-Fi和全球导航卫星系统(GNSS)等其他无线G LTE技术结合起来。可提供提供媒体流、停车辅助、3D导航,以及语音识别、面部识别等功能。

  例如,新兴基站芯片厂商PicoChip的多核DSPpicoArray处理器是一种粗粒度的超大规模并行异构16位处理器阵列,其运算和通信资源是静态分配的。它含有322个处理单元,在160MHz的主频下能提供200GMIPS和40GMACS的性能,据称性价比或功率/性能比至少是其它架构(无论是DSP还是FPGA)的10倍,可取代含有多个DSP、FPGA及通用控制器的混合架构体系,适用于3G/4G和WiMax基站,并且能够实现“软件无线电”。

  但TI表示,这种如此庞大的并行架构应用非常有限,而且存在固有缺陷,因此TI没有去开发这种产品。郑小龙解释说:“将数以百计的DSP核放到一个芯片上完全可能,TI目前并没有追求这种类型的大规模并行架构,其原因在于这种产品的局限性。-例如一个客户所需要运行的应用必须有益于这样一种架构,而由集成上百个DSP所带来的固有挑战在于三个方面,一是存储器的局限性,如此多的核要有效运行就需要一个相当大的数据和程序存储器;二是当上百个核都要去访问数据时,提供平等的访问去共享如外设、板上和外部存储器将很困难;三是在器件中有更多的核就会有更多的互连,这将增加阻塞。”

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  其实,这些新兴处理器厂商面临的更严重问题是缺乏像DSP和FPGA这样完善的软件工具支持,这才是新兴处理器厂商进入市场最致命的挑战。

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