FPGA vs DSP: หลักการทํางาน ประสิทธิภาพ และการออกแบบระบบ

ระบบดิจิทัลสมัยใหม่มักต้องประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์จํานวนมากอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ เทคโนโลยีทั่วไปสองอย่างที่ใช้เพื่อจุดประสงค์นี้คือโปรเซสเซอร์ FPGA และ DSP แม้ว่าทั้งสองจะใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบประมวลผลสัญญาณ แต่ก็ทํางานแตกต่างกันมาก FPGA สร้างฮาร์ดแวร์แบบกําหนดเองสําหรับการประมวลผลแบบเรียลไทม์โดยเฉพาะ ในขณะที่ DSP ดําเนินการคําสั่งซอฟต์แวร์ที่ปรับให้เหมาะสมสําหรับการดําเนินการทางคณิตศาสตร์ บางระบบให้ความสําคัญกับการพัฒนาซอฟต์แวร์ที่ง่ายขึ้นในขณะที่บางระบบต้องการเวลาที่กําหนดและปริมาณงานสูงสุด บทความนี้อธิบายว่าเทคโนโลยี FPGA และ DSP ทํางานอย่างไร แตกต่างกันอย่างไร ใช้งานที่ไหน และตัวเลือกใดดีกว่าสําหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน

ค 1. ภาพรวมของ FPGA

ค 2. โปรเซสเซอร์ DSP คืออะไร?

ค 3. หลักการทํางานของ FPGA กับ DSP

ค 4. ลักษณะการออกแบบ FPGA กับ DSP

ค 5. ประสิทธิภาพ FPGA เทียบกับ DSP และการประมวลผลแบบเรียลไทม์

ค 6. แอปพลิเคชัน FPGA และ DSP ทั่วไป

ค 7. การเปรียบเทียบต้นทุน FPGA กับ DSP

ค 8. การเลือกระหว่าง FPGA และ DSP

ค 9. FPGA กับ DSP เทียบกับไมโครคอนโทรลเลอร์กับ GPU

ค 10. สรุป

ค 11. คําถามที่พบบ่อย [FAQ]

Figure 1. FPGA vs DSP

ภาพรวม FPGA

Figure 2. FPGA or Field-Programmable Gate Array

FPGA หรือ Field-Programmable Gate Array เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่กําหนดค่าใหม่ได้ซึ่งสามารถตั้งโปรแกรมให้สร้างฮาร์ดแวร์ดิจิทัลแบบกําหนดเองหลังการผลิต ซึ่งแตกต่างจากโปรเซสเซอร์แบบดั้งเดิมที่เรียกใช้คําสั่งซอฟต์แวร์ FPGA ใช้ตรรกะ การกําหนดเส้นทาง หน่วยความจํา และบล็อกการประมวลผลเฉพาะที่กําหนดค่าได้เพื่อสร้างวงจรฮาร์ดแวร์เฉพาะสําหรับงานเฉพาะ เนื่องจากโครงสร้างฮาร์ดแวร์ภายในสามารถปรับเปลี่ยนได้ FPGA จึงมีประโยชน์เมื่อระบบต้องการตรรกะที่กําหนดเอง

โปรเซสเซอร์ DSP คืออะไร?

Figure 3. DSP or Digital Signal Processor

DSP หรือ Digital Signal Processor เป็นไมโครโปรเซสเซอร์พิเศษที่ออกแบบมาเพื่อประมวลผลสัญญาณดิจิทัลอย่างมีประสิทธิภาพโดยการดําเนินการทางคณิตศาสตร์ซ้ําๆ เช่น การกรอง การประมวลผล FFT การมอดูเลต การประมวลผลเสียง การควบคุมมอเตอร์ อัลกอริธึมการสื่อสาร และการวิเคราะห์ข้อมูลเซ็นเซอร์ ซึ่งแตกต่างจาก FPGA ซึ่งสร้างตรรกะฮาร์ดแวร์แบบกําหนดเอง DSP เรียกใช้คําสั่งซอฟต์แวร์บนสถาปัตยกรรมที่ใช้โปรเซสเซอร์ ทําให้มีประโยชน์สําหรับอัลกอริธึมที่ตั้งโปรแกรมได้

หลักการทํางานของ FPGA กับ DSP

FPGA ทํางานอย่างไร

Figure 4. How an FPGA Works

FPGA ประมวลผลข้อมูลผ่านบล็อกฮาร์ดแวร์ที่กําหนดค่าได้และเส้นทางสัญญาณเฉพาะ แทนที่จะเรียกใช้คําสั่งทีละรายการ จะสร้างไปป์ไลน์ฮาร์ดแวร์ที่สามารถดําเนินการหลายอย่างพร้อมกันได้ สิ่งนี้ช่วยให้ข้อมูลสามารถเคลื่อนย้ายได้อย่างต่อเนื่องผ่านการออกแบบด้วยพฤติกรรมการกําหนดเวลาที่คาดการณ์ได้

ตัวอย่างเช่น ในการประมวลผลวิดีโอ FPGA สามารถประมวลผลพิกเซล ฟิลเตอร์ หรือช่องข้อมูลได้หลายช่องพร้อมกัน ทําให้เหมาะสําหรับระบบที่ต้องประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์อย่างต่อเนื่องด้วยเวลาที่คาดการณ์ได้สูง

DSP ทํางานอย่างไร

Figure 5. How a DSP Works

DSP ประมวลผลข้อมูลโดยดําเนินการคําสั่งซอฟต์แวร์ผ่านไปป์ไลน์โปรเซสเซอร์ ได้รับการปรับให้เหมาะสมสําหรับการดําเนินการทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการประมวลผลสัญญาณ เช่น การกรอง การมอดูเลต การแปลง และอัลกอริธึมการควบคุม ซึ่งแตกต่างจาก FPGA ตรงที่ DSP ใช้สถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์คงที่ ดังนั้นพฤติกรรมของมันจึงขึ้นอยู่กับการทํางานของซอฟต์แวร์เป็นหลัก

DSP ได้รับการปรับให้เหมาะสมสําหรับการประมวลผลทางคณิตศาสตร์ที่ตั้งโปรแกรมได้โดยใช้ไปป์ไลน์คําสั่งที่มีประสิทธิภาพหน่วยเลขคณิตเฉพาะการเข้าถึงหน่วยความจําที่รวดเร็วและโฟลว์การควบคุมที่ใช้ซอฟต์แวร์ DSP บางตัวสามารถดําเนินการแบบขนานภายในที่จํากัด แต่ปริมาณงานส่วนใหญ่ยังคงเป็นไปตามรูปแบบการประมวลผลที่ขับเคลื่อนด้วยคําสั่งมากขึ้น

ลักษณะการออกแบบ FPGA กับ DSP

ลักษณะ FPGA กับ DSP

คุณสมบัติ	เอฟพีจีเอ	FPGA DSP
โครงสร้างฮาร์ดแวร์	ตรรกะฮาร์ดแวร์ที่กําหนดค่าใหม่ได้ สถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์คงที่	Synology Inc.
รูปแบบการประมวลผล	การดําเนินการฮาร์ดแวร์เฉพาะ	Synology Inc. การดําเนินการคําสั่งตามลําดับเป็นส่วนใหญ่
เวลาแฝง	ต่ํามาก	ปานกลาง
พฤติกรรมการจับเวลา	มีความกําหนดสูง ขึ้นอยู่กับการทํางานของซอฟต์แวร์
ความยืดหยุ่น	ปานกลางหลังการออกแบบฮาร์ดแวร์	การอัปเดตซอฟต์แวร์ปริมาณงานสูง	Synology®
วิธีการพัฒนา	HDL, Verilog, VHDL, HLS	HDL, Verilog, VHDL, HLS	HDL, Verilog, VHDL, HLS	HDL, Veri C, C++, การประกอบ
ประสิทธิภาพทศนิยม	ต่ํากว่า	แข็งแกร่ง
การปรับแต่งฮาร์ดแวร์	ยอดเยี่ยม	จํากัด
ความซับซ้อนในการดีบัก	สูงกว่า	ต่ํากว่า
ความเร็วในการพัฒนา	ช้าลง	เร็วขึ้น
จุดแข็งหลัก	การเร่งความเร็วและปริมาณงานของฮาร์ดแวร์	Synology Inc. ความยืดหยุ่นและการพัฒนาที่ง่ายขึ้น
ด้าน	เอฟพีจีเอ	FPGA DSP
ความสามารถในการรับส่งข้อมูล	สูงมาก	ปานกลาง
รูปแบบการประมวลผล	เส้นทางการประมวลผลฮาร์ดแวร์พร้อมกัน	Synology Inc. การดําเนินการตามลําดับส่วนใหญ่
ดีที่สุดสําหรับ	ปริมาณงานแบบเรียลไทม์จํานวนมาก	Synology Inc. การประมวลผลสัญญาณแบบฝังตัว
ระบบทั่วไป	Eric เรดาร์ การประมวลผลวิดีโอ และระบบสื่อสาร	Synology Inc. การประมวลผลเสียง ระบบควบคุม การกรอง	Synology Inc.
การควบคุมซอฟต์แวร์ที่ยืดหยุ่น	ต่ํากว่า	แข็งแกร่ง
การประมวลผลแบบปรับได้ แก้ไขได้ยากขึ้นหลังการออกแบบ	2022 อัปเดตได้ง่ายขึ้นผ่านซอฟต์แวร์	Synology Inc.
ด้าน	เอฟพีจีเอ	FPGA DSP
เวลาแฝง	ต่ํามากและคาดการณ์ได้ ขึ้นอยู่กับการทํางานของซอฟต์แวร์ การเข้าถึงหน่วยความจํา การขัดจังหวะ และการตั้งเวลา	Synus Thailand
กําหนดเวลาที่กําหนด	ยอดเยี่ยม	ตัวแปรมากขึ้น
พฤติกรรมแบบเรียลไทม์	เส้นทางการดําเนินการฮาร์ดแวร์เฉพาะ	Synology Inc. การดําเนินการที่ควบคุมด้วยซอฟต์แวร์	Synology Inc.
กรณีการใช้งานที่ดีที่สุด	2022 ระบบจับเวลาที่เข้มงวดและเวลาแฝงต่ําเป็นพิเศษ การประมวลผลแบบฝังตัวที่ยืดหยุ่น
ด้าน	เอฟพีจีเอ	FPGA DSP
ประสิทธิภาพทศนิยม	ต่ํากว่า; อาจใช้ทรัพยากรฮาร์ดแวร์มากขึ้น แข็งแกร่ง
ประสิทธิภาพจุดคงที่	ยอดเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับการใช้งานฮาร์ดแวร์ซ้ําๆ	ยอดเยี่ยม
การใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพ สูงขึ้นสําหรับปริมาณงานการสตรีมแบบจุดคงที่	Synology Inc. ดีกว่าสําหรับอัลกอริทึมทศนิยมที่หนักหน่วง
การตั้งค่าทั่วไป	เหมาะสําหรับปริมาณงานพร้อมกันอย่างต่อเนื่อง	Synology Inc. เหมาะสําหรับอัลกอริทึมทางคณิตศาสตร์และการปรับตัว	2022

พื้นที่ใช้งาน	จุดแข็งของ FPGA	FPGA จุดแข็งของ DSP
การประมวลผลเสียง	ความหน่วงแฝงต่ําเป็นพิเศษและเสียงหลายช่องสัญญาณ	การกรอง อีควอไลเซอร์ และการประมวลผลเสียงที่ยืดหยุ่น	Ukraina
การประมวลผลภาพและวิดีโอ	การประมวลผลพิกเซลแบบเรียลไทม์ แมชชีนวิชั่น และไปป์ไลน์สตรีมมิ่ง	Synology Inc. ปริมาณงานการประมวลผลภาพในระดับปานกลาง	Synology Inc.
ระบบสื่อสารและ RF	วิทยุที่กําหนดโดยซอฟต์แวร์, เรดาร์, การประมวลผลเบสแบนด์, การกําหนดเวลาที่กําหนด	อัลกอริธึมการสื่อสารแบบปรับได้และการวิเคราะห์สัญญาณ	Synology Inc.
การควบคุมมอเตอร์และระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ลูปควบคุมที่รวดเร็ว ระบบซิงโครไนซ์ และอินเทอร์เฟซอุตสาหกรรม	Synology Inc. อัลกอริธึมการควบคุมแบบฝังตัวและการควบคุมทางคณิตศาสตร์
การประมวลผลเซ็นเซอร์และการเก็บข้อมูล	Synology Inc. การได้มาด้วยความเร็วสูงและการสตรีมแบบหลายช่องสัญญาณ	Uka AG อัลกอริธึมการประมวลผลเซ็นเซอร์ที่ยืดหยุ่น	Synology Inc.
FFT และการกรองแบบดิจิตอล	FFT การเร่งฮาร์ดแวร์ที่มีปริมาณงานสูงและเวลาแฝงต่ํา	Synology Inc. การใช้งานที่ง่ายขึ้นและการอัปเดตอัลกอริทึมที่เร็วขึ้น

ในเรดาร์ที่ทันสมัยหรือระบบวิทยุที่กําหนดโดยซอฟต์แวร์ (SDR) FPGA มักจะจัดการการรับข้อมูลความเร็วสูง การกรอง บีมฟอร์มมิ่ง และการประมวลผลล่วงหน้าโดยตรงจากฮาร์ดแวร์ ADC จากนั้นโปรเซสเซอร์ DSP จะทําการวิเคราะห์สัญญาณแบบปรับได้การติดตามเป้าหมายอัลกอริธึมการควบคุมและงานสื่อสารผ่านซอฟต์แวร์ การผสมผสานนี้ช่วยให้ระบบสามารถสร้างสมดุลระหว่างการเร่งฮาร์ดแวร์แบบเรียลไทม์กับความยืดหยุ่นของอัลกอริทึมที่ตั้งโปรแกรมได้
ปัจจัย	เอฟพีจีเอ	FPGA DSP
ค่าอุปกรณ์	มักจะสูงกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์ที่มีทรัพยากรลอจิกจํานวนมาก มักจะต่ํากว่าสําหรับงานประมวลผลสัญญาณแบบฝังมาตรฐาน
ต้นทุนการพัฒนา	สูงขึ้นเนื่องจากการออกแบบและการตรวจสอบฮาร์ดแวร์ต้องใช้ความพยายามมากขึ้น ต่ํากว่าเพราะการพัฒนาซอฟต์แวร์มักจะเร็วกว่า
ความซับซ้อนของเครื่องมือ	Synology Inc. สูงขึ้นเนื่องจากเครื่องมือวิเคราะห์การสังเคราะห์ การจําลอง และเวลา	Synthesis ต่ํากว่าเนื่องจากมักใช้เครื่องมือซอฟต์แวร์มาตรฐาน
ความพยายามในการบํารุงรักษา	สูงขึ้นเนื่องจากการดัดแปลงฮาร์ดแวร์อาจต้องออกแบบใหม่ ต่ํากว่าเพราะการอัปเดตเฟิร์มแวร์ทําได้ง่ายขึ้น
ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน	มีประสิทธิภาพสูงสําหรับเวิร์กโหลดแบบเรียลไทม์โดยเฉพาะ เนื่องจากงานดําเนินการโดยตรงในฮาร์ดแวร์	Synology Inc. มักจะมีประสิทธิภาพสําหรับเวิร์กโหลดที่ขับเคลื่อนด้วยซอฟต์แวร์ในระดับปานกลางที่มีความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์ต่ํากว่า
เลือก FPGA เมื่อระบบต้องการเวลาแฝงต่ําเป็นพิเศษ การกําหนดเวลา สตรีมข้อมูลปริมาณงานสูง อินเทอร์เฟซดิจิทัลแบบกําหนดเอง หรือการเร่งฮาร์ดแวร์ FPGA เหมาะที่สุดสําหรับเรดาร์, RF, การประมวลผลวิดีโอ, การได้มาด้วยความเร็วสูง และระบบอุตสาหกรรมที่ประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์เป็นสิ่งสําคัญ
เลือก DSP เมื่อโครงการต้องการการพัฒนาที่เร็วขึ้นอัลกอริทึมที่ตั้งโปรแกรมได้การดีบักที่ง่ายขึ้นการประมวลผลจุดลอยตัวการอัปเดตเฟิร์มแวร์หรือความซับซ้อนในการออกแบบที่ลดลง โปรเซสเซอร์ DSP มักเป็นที่ต้องการสําหรับการประมวลผลเสียง ระบบควบคุม การกรองแบบปรับได้ และแอปพลิเคชันการประมวลผลสัญญาณแบบฝังตัว
ในระบบขั้นสูงจํานวนมากทางออกที่ดีที่สุดไม่ใช่ FPGA หรือ DSP เพียงอย่างเดียว แต่เป็นการรวมกันของทั้งสองอย่าง FPGA สามารถจัดการกับการประมวลผลล่วงหน้าด้วยความเร็วสูง ในขณะที่ DSP จัดการอัลกอริธึมที่ปรับเปลี่ยนได้ ตรรกะการควบคุม และการวิเคราะห์โดยใช้ซอฟต์แวร์

ด้าน	ไมโครคอนโทรลเลอร์	DSP	เอฟพีจีเอ	FPGA จีพียู
ดีที่สุดสําหรับ	ระบบควบคุมที่เรียบง่าย การอ่านเซ็นเซอร์ และอุปกรณ์ฝังตัวที่ใช้พลังงานต่ํา อัลกอริธึมการประมวลผลและควบคุมสัญญาณที่ยืดหยุ่น การประมวลผลแบบเรียลไทม์ที่กําหนดและการเร่งฮาร์ดแวร์	Synology Inc. การประมวลผลแบบขนานขนาดใหญ่และปริมาณงาน AI	Synology Inc.
รูปแบบการประมวลผล	การดําเนินการคําสั่งตามลําดับ การดําเนินการคําสั่งทางคณิตศาสตร์ที่ปรับให้เหมาะสม ตรรกะฮาร์ดแวร์แบบกําหนดเองและเส้นทางข้อมูลเฉพาะ	Synology Inc. การประมวลผลแบบขนานแบบ Many-core
เวลาแฝง	ปานกลาง	ต่ําถึงปานกลาง	ต่ํามากและคาดการณ์ได้ สูงขึ้นสําหรับระบบเรียลไทม์ที่เข้มงวด
ความยืดหยุ่น	ง่ายต่อการตั้งโปรแกรมและอัปเดต	ยืดหยุ่นผ่านซอฟต์แวร์	Synus Thailand กําหนดค่าใหม่ได้ แต่ซับซ้อนกว่าในการออกแบบใหม่	ยืดหยุ่นสําหรับปริมาณงานที่มีข้อมูลมาก
การใช้พลังงาน	ต่ํา	ต่ําถึงปานกลาง	ปานกลาง ขึ้นอยู่กับขนาดการออกแบบ	สูง

สรุป

โปรเซสเซอร์ FPGA และ DSP เป็นเทคโนโลยีที่ทรงพลังสําหรับการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล แต่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสําหรับเป้าหมายที่แตกต่างกัน FPGA ได้รับการออกแบบมาสําหรับการเร่งฮาร์ดแวร์ที่กําหนดและการประมวลผลแบบเรียลไทม์ความเร็วสูงอย่างต่อเนื่อง โปรเซสเซอร์ DSP มีความยืดหยุ่นของซอฟต์แวร์การประมวลผลจุดลอยตัวการดีบักที่ง่ายขึ้นและการพัฒนาที่เร็วขึ้น

คําถามที่พบบ่อย [FAQ]

การเขียนโปรแกรม FPGA ยากกว่าการเขียนโปรแกรม DSP หรือไม่

ใช่. การพัฒนา FPGA มักจะซับซ้อนกว่า เนื่องจากต้องใช้การออกแบบฮาร์ดแวร์โดยใช้ภาษา HDL เช่น Verilog หรือ VHDL ควบคู่ไปกับการวิเคราะห์เวลาและการตรวจสอบฮาร์ดแวร์ โดยทั่วไปการพัฒนา DSP จะง่ายกว่าเนื่องจากวิศวกรสามารถใช้การเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์ C หรือ C++ และเครื่องมือดีบักมาตรฐานได้

FPGA สามารถแทนที่โปรเซสเซอร์ DSP ได้หรือไม่

ในบางระบบใช่ FPGA สามารถทํางานที่เกี่ยวข้องกับ DSP ได้หลายอย่าง เช่น การกรอง การประมวลผล FFT และการวิเคราะห์สัญญาณ โดยมีปริมาณงานที่สูงขึ้นและเวลาแฝงที่ต่ําลง อย่างไรก็ตาม โปรเซสเซอร์ DSP มักเป็นที่ต้องการเมื่อความยืดหยุ่นของซอฟต์แวร์ การอัปเดตที่เร็วขึ้น และการพัฒนาอัลกอริทึมที่ง่ายขึ้นมีความสําคัญมากกว่า

อันไหนใช้พลังงานน้อยกว่า: FPGA หรือ DSP

ขึ้นอยู่กับภาระงาน โปรเซสเซอร์ DSP มักจะใช้พลังงานน้อยลงในงานประมวลผลตามลําดับปานกลาง ในขณะที่ FPGA สามารถประหยัดพลังงานได้มากขึ้นในแอปพลิเคชันแบบขนานสูง เนื่องจากการดําเนินการหลายอย่างดําเนินการพร้อมกันในฮาร์ดแวร์เฉพาะแทนการเรียกใช้ซอฟต์แวร์ตามลําดับ

เหตุใดจึงมักใช้ FPGA ใน AI และ Edge Computing

FPGA ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเร่งความเร็ว AI และ Edge Computing เนื่องจากให้การเร่งฮาร์ดแวร์ที่ปรับแต่งได้ นอกจากนี้ยังสามารถปรับให้เหมาะสมสําหรับปริมาณงานโครงข่ายประสาทเทียมที่เฉพาะเจาะจงในขณะที่ใช้พลังงานน้อยกว่าระบบ GPU ขนาดใหญ่ในแอปพลิเคชันแบบฝังตัวบางตัว

เทคโนโลยี FPGA และ DSP ใช้ร่วมกันในระบบจริงหรือไม่

ใช่. ระบบขั้นสูงจํานวนมากรวมเทคโนโลยี FPGA และ DSP เข้าด้วยกันเพื่อสร้างสมดุลระหว่างการเร่งความเร็วของฮาร์ดแวร์และความยืดหยุ่นของซอฟต์แวร์ FPGA จัดการงานความเร็วสูง เช่น การรับข้อมูลหรือการประมวลผลล่วงหน้า ในขณะที่ DSP จัดการอัลกอริธึมที่ปรับเปลี่ยนได้