Altera FPGA硬核浮点DSP模块解决方案提高运算性能

1、 FPGA浮点运算推陈出新

以往FPGA在进行浮点运算时，为符合IEEE 754标准，每次运算都需要去归一化和归一化步骤，导致了极大的性能瓶颈。因为这些归一化和去归一化步骤一般通过FPGA中的大规模桶形移位寄存器实现，需要大量的逻辑和布线资源。通常一个单精度浮点加法器需要500个查找表（LUT），单精度浮点要占用30%的LUT，指数和自然对数等更复杂的数学函数需要大约1000个LUT。因此随着DSP算法越来越复杂，FPGA性能会明显劣化，对占用80%～90%逻辑资源的FPGA会造成严重的布线拥塞，阻碍FPGA的快速互联，最终会影响时序收敛。

为解决以上问题， 2010年Altera在DSP Builder高级模块库中引入了融合数据通路设计。它将基本算子组合在一个函数或者数据通路中，通过分析数据通路的位增长，选择最优归一化输入，为数据通路分配足够的精度，尽可能消除归一化和去归一化步骤。这一优化平台将定点DSP模块与可编程软核逻辑相结合，避免了大量使用这类桶形移位寄存器。与使用几种基本IEEE 754算子构成的等价数据通路相比，减少了50%的逻辑，延时减小了50%。并且，这一方法总的数据精度一般高于使用基本IEEE 754浮点算子库的方法。

在Altera Arria 10和Stratix 10器件中的硬核浮点DSP模块开发出来之前，融合数据通路方法的浮点运算性能和效率是业界领先的。表1显示了Cholesky求解器运行在Stratix V版DSP开发套件上的结果，形式是Ax = B，使用了DSP Builder高级模块库中的融合数据通路设计流程。一般来说Cholesky的输入矩阵函数规模大、延时长，因此很难在FPGA硬件中实现，但具有融合数据通路的DSP Builder模块库的浮点运算占用的逻辑只是基本浮点乘法器的3到4倍，并会在每一时钟周期产生一个结果，从而可实现相应规模的 Cholesky求解。

随着Altera DSP模块体系结构的进步和软件工具的不断优化，目前Altera已可在FPGA中实现高性能浮点运算，Altera的Arria 10和Stratix 10器件中的硬核浮点DSP模块就是业界领先的浮点解决方案的代表。

2 、硬核浮点DSP提高设计效能，加快上市

在Arria 10和Stratix 10器件中的硬核浮点DSP模块不仅提高了运算性能，还可加快产品上市时间。在提高运算性能方面，主要体现在三个方面：

一是可节省逻辑资源的使用。采用Arria 10和Stratix 10器件中的硬核浮点DSP模块，FPGA系统克服了前述提到的限制性能的挑战。在过去，需要使用定点乘法器和FPGA逻辑来实现浮点运算功能，Altera的硬核浮点DSP几乎不使用现有FPGA浮点计算所需要的逻辑资源，并且，桶形移位寄存器可在硬核DSP模块中实现，就避免了使用宝贵的FPGA资源运行归一化和归一化函数。采用硬核浮点DSP模块内置这一创新体系结构，不仅节省了很多的逻辑资源，时序收敛或者fMAX要求也不再受限于次优布线，从而保证了使用80%至90%逻辑资源的FPGA仍能保持较高的fMAX性能。

二是提高了数字精度。硬核浮点DSP模块支持很多复数浮点运算，包括累乘法、加减法等，其浮点输出都符合IEEE 754标准，从而保证了在具有高分辨率要求的应用中其数值的一致性。过去FPGA实现浮点运算是在内部数据通路上使用二进制补码表示。在算法输入输出时，这一内部二进制补码表示与IEEE 754格式相互转换。这在解决桶形移位寄存器占用资源方面至关重要，但实际输出值与MATLAB/Simulink模型值相比会有所偏差。但是，在采用了Arria 10和Stratix 10器件中的硬核浮点模块后，实际输出值与Simulink模型显示的高度一致。

三是提高了能效。Arria 10和Stratix 10器件还在FPGA业界实现了能效最高的浮点，每瓦分别是50 GFLOP和100 GFLOPS，极大地减少了以前进行浮点运算时所需要的逻辑和布线资源，从而大幅度降低了内核动态功耗。

而在加快产品上市方面，FPGA中集成的硬核浮点DSP支持很多常见的DSP模型和仿真环境，可无缝实现优化浮点运算。在从军事领域的雷达到通信系统等各种应用中，Arria 10和Stratix 10器件为设计人员提供了更高效的设计，平均可将设计时间缩短6-12个月。一方面是因为不需要额外的转换过程。在前几代FPGA中要实现高性能浮点运算，需要进行转换，将浮点转换为定点，在FPGA中实现，在定点实现中分析、转换并验证浮点算法。这种转换过程一般步骤繁琐。此外，这一过程完成后，还需验证转换过程当中的准确率。如果设计方面有任何的修改或变化，都需要重新把这些流程再进行一遍，持续进行转换。另一方面是因为Altera提供了易用的设计工具。Altera优异的DSP设计工具包括为硬件设计人员、基于模型的设计人员提供的DSP Builder，以及为软件编程人员提供的面向OpenCL的软件开发套件（SDK）。利用这些工具，设计人员完全不需要浮点到定点的转换过程，相应地在实现过程中也不需要调试，在几分钟内就可以完成系统定义和仿真，直至系统实现。当使用DSP Builder或者面向OpenCL的SDK设计算法，设计人员能够将开发精力集中在算法定义和迭代上，而不是设计硬件，帮助他们缩短了开发和验证时间。

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