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Performancevergleich DSP vs. FPGA Werner FRIESENBICHLER 0526423.

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Präsentation zum Thema: "Performancevergleich DSP vs. FPGA Werner FRIESENBICHLER 0526423."—  Präsentation transkript:

1 Performancevergleich DSP vs. FPGA Werner FRIESENBICHLER

2 2 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?

3 3 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?

4 4 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: x18-bit Mult., 450 MHz, 346 GMAC/s, z.B mW/MHz pro Mult., $200 - $ – 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?

5 5 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/)

6 6 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 ?

7 7 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)

8 8 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

9 9 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-ProcessingPost-Processing

10 10 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, ) Kommunikation, Netzwerk – Navigationsempfänger, Radar, Aerospace, Military

11 11 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 ( )

12 12 DSP vs Standardprozessor (1) FIR Filter (Clockzyklen)

13 13 DSP vs Standardprozessor (2) FIR Filter (Ausführungszeit in Mikrosekunden)

14 14 DSP vs Standardprozessor (3) Leistungseffizienz

15 15 Quellen The Art Of Processor Benchmarking: What makes a good benchmark, and why you should care (http://www.bdti.com/articles/artofbenchmarking.pdf)http://www.bdti.com/articles/artofbenchmarking.pdf 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)http://www.altera.com/corporate/news_room/releases/products/nr- fairlight.html


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