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分布式异构处理为FPGA打开全新的应用领域

Distributed-Heterogeneous-Processing
Posted 12/20/2016 by Abdullah Raouf

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传感器的成本不断降低,同时市场对于更高性能I/O接口以及“实时在线、实时感知”功能的需求越来越高,这对电池供电移动设备的设计者提出了新的挑战。从手机、无人机、可穿戴产品到工业设备领域,工程师们面临着同样的问题,即如何用更短的时间处理大量数据,同时降低系统功耗以满足客户对更长电池使用时间的需求?

设计工程师们正在放弃以CPU为中心的传统设计方法,意识到必须充分利用现代系统中多样化的处理器和传感器在最大限度降低功耗的同时,满足更高的计算要求。为此,设计工程师正在转向分布式异构处理(Distributed Heterogenous Processing, DHP)架构。

什么是分布式异构处理(DHP)?

DHP不使用云端执行算法,而是使用不同的本地处理器满足复杂协处理的需求。使用低功耗FPGA内置的数字信号处理器(DSP)执行重复的数字处理任务,可减少功耗极大的应用处理器(AP)的计算负载,从而实现更长时间的睡眠模式以延长电池使用时间。

DHP技术的广泛采用为FPGA进一步打开了应用空间。得益于更大的存储空间、更强的计算能力以及低功耗、高度紧凑的小尺寸等特性,各类全新的FPGA应用以及新一代FPGA变得更有用武之地。我们最新推出的iCE40 UltraPlus FPGA相比上一代产品可提供8倍的存储空间以及2倍数量的DSP,而静态功耗仅为75μA。让我们来看看一些潜在的使用情境。

传感和检测加速

第一种使用情境是移动设备的唤醒。如今,越来越多电池供电的设备支持实时传感器缓存,在应用处理器处于睡眠模式时执行传感和检测加速。为了尽可能降低功耗以延长电池使用时间,这些移动设备需要屏蔽假唤醒,使得应用处理器尽可能长时间地保持在睡眠模式。

通常情况下,这些系统使用双击、“摇一摇唤醒”或指纹、手势、虹膜扫描技术来唤醒应用处理器。一般进行两个步骤。首先,系统确定是否发生唤醒动作。然后,确定指纹、手势或虹膜扫描是否准确。

最近,设计工程师使用放在传感器和应用处理器之间的小尺寸FPGA来检测唤醒触发,例如是否进行了指纹扫描。一旦唤醒触发被确认,FPGA将唤醒应用处理器以验证指纹是否正确。得益于iCE40 UltraPlus FPGA的更大存储空间和更强计算能力,设计工程师现在可以同时执行上述两步唤醒处理功能,使得应用处理器更长时间地保持睡眠模式。

高性能音频处理

声束形成为FPGA提供了另一个潜在的新应用领域。为了实现声束形成,应用程序设计工程师需要构建高质量音频处理功能以在嘈杂的环境中分离出特定的音频信号。但是,系统该如何在多人说话的房间里检测来自某个人的语音指令呢?

波束成形技术使用多个麦克风阵列来分离特定的声音和不需要的噪声。一些市场上的领先产品采用波束成形技术以及多个麦克风来区分用户语音与其他人的语音和背景噪声。不过,市场上的大多数应用处理器仅支持两个麦克风。要实现上述功能,设计工程师需要使用多达7个麦克风,而且要确保24小时不间断工作的情况下也不会耗尽电池。

为了达到上述目标,设计工程师可以将麦克风阵列连接到iCE40 UltraPlus FPGA,然后将FPGA接口与音频处理器连接。FPGA的乘法器和累加器(MAC)块用于PDM抽取和滤波,而其更大的存储空间则可以支持麦克风延迟线。这种设计方法还能支持设计工程师使用片上MAC定制系统,构建非常灵活的波束成形滤波器、噪声消除系统或均衡功能。

除了上述应用领域之外,iCE40 UltraPlus FPGA还有更多潜力等待您的发掘。了解详情,请查看以下资源:

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