使用新型Cadence Tensilica DSP FPU實(shí)現(xiàn)最佳PPA

音頻和視頻處理、雷達(dá)、電信、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制、虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 以及最近的人工智能 (AI) 算法等應(yīng)用都強(qiáng)烈依賴于 DPS（數(shù)字信號處理器），因?yàn)樗鼈儾捎梦锢?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬信號的數(shù)字化形式按照特定算法在數(shù)學(xué)上對其進(jìn)行操作。

許多 DSP 僅支持定點(diǎn)數(shù)學(xué)表示并能夠提供大多數(shù)科學(xué)應(yīng)用所需的精度，但另一方面，浮點(diǎn)提供了一種更相關(guān)和更準(zhǔn)確的方式來表示主要是模擬信號的現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù). 此外，浮點(diǎn)支持與 DSP 代碼的集成和移植，因?yàn)樗鼈兏鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn) IEEE754 的算術(shù)表示被編譯器、開發(fā)和建模工具廣泛使用。

“Tensilica 在 DSP 領(lǐng)域已經(jīng)有很長時(shí)間了。我們已經(jīng)為音頻和語音、雷達(dá)、激光雷達(dá)和計(jì)算機(jī)視覺（包括人工智能）提供了經(jīng)過驗(yàn)證的產(chǎn)品。這是 Tensilica 產(chǎn)品組合中的一個(gè)全新系列，也是我們第一款專為支持浮點(diǎn)運(yùn)算而設(shè)計(jì)的 DSP”，Cadence 的 Tensilica DSP 產(chǎn)品管理和營銷總監(jiān) Ted Chua 說。

新的 Cadence Tensilica FloatingPoint DSP 系列以極低的功耗為廣泛的計(jì)算密集型應(yīng)用提供可擴(kuò)展的性能。低能耗 DSP IP 優(yōu)化了功耗、性能和面積 (PPA)，可為移動(dòng)、汽車、消費(fèi)類和超大規(guī)模計(jì)算應(yīng)用節(jié)省高達(dá) 40% 的面積，并為無縫軟件遷移提供簡單的編程環(huán)境。

“在某些應(yīng)用中，例如電機(jī)控制，浮點(diǎn)可以比定點(diǎn)系統(tǒng)做得更好，因?yàn)榇a更小，或者因?yàn)樗\(yùn)行得更快，或者更準(zhǔn)確、更有效地控制速度和扭矩”，蔡說。

Tensilica 浮點(diǎn) DSP 系列

新的浮點(diǎn) DSP IP 內(nèi)核系列針對 PPA 進(jìn)行了優(yōu)化，從小型和超低功耗擴(kuò)展到非常高性能的設(shè)備，為最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用提供節(jié)能解決方案，包括電池供電設(shè)備、人工智能 (AI)機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、傳感器融合、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 和虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)。

基于 Tensilica Xtensa 32 位 RISC 微架構(gòu)，新系列（圖 1）包括四個(gè)內(nèi)核：Tensilica FloatingPoint KP1 DSP、Tensilica FloatingPoint KP6 DSP、Tensilica FloatingPoint KQ7 DSP 和 Tensilica FloatingPoint KQ8 DSP。新的 DSP 不僅提供從 128 位向量寬度到 1024 位向量寬度的高可擴(kuò)展性，而且還可以配置為僅啟用特定應(yīng)用所需的功能，從電池供電設(shè)備的節(jié)能解決方案到高-性能計(jì)算（HPC）。

圖 1：Tensilica 浮點(diǎn) DSP 系列

新系列 DSP 內(nèi)核與現(xiàn)有 Tensilica DSP 的可選矢量浮點(diǎn)單元 (VFPU) 共享通用指令集架構(gòu) (ISA)，并在 Tensilica Xtensa LX 上具有從 128 位 SIMD 到 1024 位 SIMD 的可擴(kuò)展矢量寬度和 NX 平臺。使用 VFPU 插件的 Tensilica 定點(diǎn) DSP 的性能得到了改進(jìn)，在融合乘加 (FMA) 操作中的操作吞吐量增加了 25%。使用 Tensilica 指令擴(kuò)展 (TIE) 語言可以進(jìn)一步增強(qiáng)和區(qū)分性能，這是一種 Cadence 專有的類似 Verilog 的語言，允許定義由 Xtensa 工具鏈自動(dòng)集成和識別的自定義操作。此外，與采用 VFPU 的同類定點(diǎn) DSP 相比，浮點(diǎn) DSP 可節(jié)省高達(dá) 40% 的面積。

圖 2：Tensilica FloatingPoint KQ7 和 KQ8 框圖。

如圖 2 所示，可擴(kuò)展的 Tensilica FloatingPoint DSP 系列為 SoC 設(shè)計(jì)人員提供了能夠滿足其 PPA 預(yù)算范圍的設(shè)計(jì)靈活性。對于對能量敏感的應(yīng)用，F(xiàn)loatingPoint KP1 DSP 提供了超低能耗的解決方案，適用于電池供電的應(yīng)用。FloatingPoint KP6 DSP 在高性能和減少占用空間之間提供了適當(dāng)?shù)恼壑?，提供了出色的單位面積性能設(shè)計(jì)。對于高性能應(yīng)用，F(xiàn)loatingPoint KQ7 和 KQ8 DSP 提供了最大系列的矢量浮點(diǎn)運(yùn)算吞吐量。

此外，通用 ISA 架構(gòu)簡化了軟件的可移植性和遷移。FloatingPoint DSP 還支持自定義接口，例如隊(duì)列和端口，簡化連接和與外部硬件模塊的集成，或匹配現(xiàn)有第三方 IP 提供的接口。

大多數(shù)具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用程序都在快速發(fā)展并從云端轉(zhuǎn)移到邊緣。計(jì)算機(jī)視覺、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、自動(dòng)駕駛汽車和智能設(shè)備只是人工智能 (AI) 算法在邊緣移動(dòng)的幾個(gè)例子，它們?yōu)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2447/" target="_blank">嵌入式系統(tǒng)提供了增強(qiáng)的自主決策技能。所有這些應(yīng)用都需要一系列浮點(diǎn) DSP 內(nèi)核，這些內(nèi)核可以滿足不同的市場需求、縮短上市時(shí)間，并針對功耗、性能和芯片面積進(jìn)行優(yōu)化，以保持產(chǎn)品成本競爭力。

“今天，邊緣的人工智能推理主要是通過定點(diǎn)加速器完成的。浮點(diǎn) DSP 提供了以浮點(diǎn)格式執(zhí)行 AI 推理或訓(xùn)練的選項(xiàng)，我們都知道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練是使用浮點(diǎn)表示完成的”，Chua 說。

如前所述，可配置性是 Tensilica FloatingPoint DSP 系列的另一個(gè)相關(guān)關(guān)鍵因素。Chua 評論說：“我們的 Tensilica DSP 是可配置的，這意味著設(shè)計(jì)人員可以只選擇他們需要的硬件功能，而不會(huì)消耗不必要的功率?！?/p>

最有用的選項(xiàng)之一是分散收集功能，它允許設(shè)計(jì)人員從特定的內(nèi)存位置加載數(shù)據(jù)并將其放入矢量格式。

“DSP 內(nèi)部的浮點(diǎn)單元是一個(gè)向量機(jī)。對于未存儲(chǔ)在連續(xù)內(nèi)存位置的數(shù)據(jù)，分散收集功能允許您將分散的數(shù)據(jù)加載為一種矢量格式，從而提高整體性能”，Chua 補(bǔ)充道。

在與軟件開發(fā)相關(guān)的方面，Tensilica FloatingPoint DSP 附帶一整套軟件工具，包括具有自動(dòng)矢量化和指令捆綁功能的高性能 C/C++ 編譯器，以支持 DSP 中的 VLIW 流水線、鏈接器、匯編器、調(diào)試器、分析器和圖形可視化。一個(gè)有用的工具是指令集模擬器 (ISS)，它允許設(shè)計(jì)人員快速模擬和評估性能。在處理大型系統(tǒng)或冗長的測試向量時(shí)，Tensilica TurboXim 模擬器選項(xiàng)聲稱可以實(shí)現(xiàn)比 ISS 快 40 到 80 倍的速度，以實(shí)現(xiàn)高效的軟件開發(fā)和功能驗(yàn)證。

Tensilica Xtensa SystemC (XTSC) 和基于 C 的 Xtensa 建模協(xié)議 (XTMP) 系統(tǒng)建模可用于全芯片仿真。引腳級 XTSC 提供協(xié)同仿真或 SystemC 和 RTL 級卸載加速器模塊，用于快速、周期精確的仿真。Tensilica FloatingPoint DSP 支持所有主要的后端 EDA 流程，包括優(yōu)化的 Eigen 庫、NatureDSP 庫、SLAM（同時(shí)定位和映射）庫和數(shù)學(xué)軟件庫，使移植和遷移浮點(diǎn)軟件更加容易。

“通過我們的浮點(diǎn) DSP 系列，我們提供了一套軟件工具，這些工具與用于 Tensilica DSP 的所有其他軟件工具都是通用的。對于任何已經(jīng)熟悉 Tensilica 軟件工具的開發(fā)人員來說，實(shí)際上沒有學(xué)習(xí)曲線，因?yàn)樗峭耆嗤墓ぞ摺?，Chua 說。

　　審核編輯：湯梓紅