組み込みアプリケーション用デジタル信号プロセッサICのオプション

組み込みベースボード上のデジタル信号プロセッサIC。

あなたの電話会話、ストリーミングビデオ、ストリーミング音楽、スマートフォンのカメラなどは、デジタル信号プロセッサICがなければ設計通りには機能しません。多くの新しいシステムでは、重要なデジタル信号処理タスクを実行するアルゴリズムがSoCに統合されたり、組み込みOSインスタンス上でソフトウェアとして実行されたり、または単にクラウドにオフロードされたりしています（例えば、クラウド接続された組み込みシステムで）。これらのタスクは、ハードウェアレベル、ソフトウェアレベル、またはその両方で定義する必要があり、コンポーネントの選択は計算時間と結果の精度を決定します。

デジタル信号プロセッサIC対FPGA

5Gやエッジコンピューティングのようなアプリケーション領域は、処理能力においてFPGAからカスタムSoCや特殊なデジタル信号プロセッサICコンポーネントに移行しています。この市場の成長は、プログラミングの容易さ、より大きな専門化、並列化の必要性が少ないため、既にFPGA市場と同様の率で成長すると予測されています。市場の風景とデバイス要件のこれらの変化により、デジタル信号プロセッサICオプションをFPGAと比較することが役立ちます。なぜなら、それらは同じ機能を実行できますが、異なる方法と異なるパフォーマンス指標で行うからです。

両方のタイプのコンポーネントは固定小数点と浮動小数点の算術演算を実行でき、フットプリントが似ており、場合によっては算術演算ごとのコストも似ています。しかし、機能セット、プログラミングの学習曲線、そして完全に異なる専門化レベルがあります。FPGAはカスタマイズ可能なプログラミングを高度に提供する一方で、DSPは特殊な信号処理アプリケーション用に意図されています（その名前からも明らかです）。一部の特殊な混合信号FPGAのみがADC/DACブロックを含んでいますが、ほとんどの高性能DSPはセンサーや他の機器とのインターフェース用にDAC/ADCブロックを含んでいます。

要約すると、高度にカスタマイズ可能で共有リソースを持ち、処理速度が速く、顕著な並列化が必要なプロセッサが必要な場合、計算が速くMACごとのコストが低いため、より良い選択はFPGAです。しかし、速度が重要な要素ではなく、特定の統合機能が必要な場合は、デジタル信号プロセッサICを使用する方が良いでしょう。低いクロック/MACレートでは、FPGAと同様のMACごとのコストで計算が速くなります。

デジタル信号プロセッサICは、標準プロトコルを介して他のコンポーネントとインターフェースする必要があります。

デジタル信号プロセッサICのベンチマーク

デジタル信号プロセッサICを選択する際に考慮すべきいくつかの重要なガイドラインがあります：

• 乗算累積（MAC）レート：これは次のポイントに関連していますが、固定または浮動小数点演算のビット深度にも依存します。これはデジタル信号プロセッサICの性能を評価するために使用される主要なベンチマークです。
• クロック/命令レート：命令レートは通常、MIPS（1秒あたりのメガ命令数）またはサイクルタイム値で測定されます。
• ベンチマークアルゴリズムに対する性能：ベンチマークアルゴリズムの計算時間の特定の測定は、自分のアルゴリズムを比較するためのベンチマークを提供します。一般的なベンチマークアルゴリズムには、有限インパルス応答フィルタリングとFFTがあります。
• 統合ペリフェラルへのアクセス：これらのICは通常、他のコンポーネントとのインターフェース用に複数のプログラマブルI/Oとインターフェースを単一のパッケージで提供します。ICで利用可能なシグナリングプロトコルに注意してください。
• コスト：これらのコンポーネントの利点の1つは、比較可能なMCUやFPGAよりも低コストで信号処理タスクの性能が高いことです（上記参照）。外部ペリフェラルやインターフェースへのアクセスが必要でない限り、過剰に購入する利点はほとんどありません。

高性能デジタル信号プロセッサICのオプション

これらのオプションは、同様のクロックレートと同様のコストでFPGAに比べてより高速で正確な計算を提供します。これらのコンポーネントのプログラミング学習曲線も簡単で、多くの設計者がFPGAを使用する場合よりも新製品をより速く生産に移行させるのに役立ちます。

Texas Instruments, TMS320C6720BRFP200

Texas InstrumentsのTMS320C6720BRFP200は、32ビット固定小数点、32ビット浮動小数点（単精度）、または64ビット浮動小数点（倍精度）計算をサポートする低コストのデジタル信号プロセッサICです。このコンポーネントの理想的なアプリケーションには、高性能オーディオシステム（例：リアルタイムエフェクト、オーディオ合成、楽器モデリング、エンコーディング/放送）、医療画像（例：3Dトモグラフィーおよび画像処理）、バイオメトリクス、および特殊な信号処理タスクを必要とするその他のアプリケーションが含まれます。

このコンポーネントにはADC/DACブロックは含まれていませんが、外部のADC/DACコンポーネントに接続するための2つのSPIと2つのI2Cインターフェースが含まれています。このコンポーネントには、外部ホストCPUがコンポーネント上のメモリに並列にアクセスできるユニバーサルホストポートインターフェース（UHPI）も含まれています。他のデジタル信号プロセッサICとは異なり、計算にはある程度の並列化があります：

350 MHzで、CPUはサイクルごとに最大8命令（そのうち6命令が浮動小数点命令）を並列に実行することにより、最大2800 MIPS/2100 MFLOPSの性能を発揮できます。CPUはネイティブに32ビット固定小数点、32ビット単精度浮動小数点、および64ビット倍精度浮動小数点算術をサポートしています[TMS320C6720BRFP200データシートより]

TMS320C6720BRFP200 デジタル信号プロセッサICの機能ブロック図。TMS320C6720BRFP200 データシートより。

Analog Devices, ADSP-21161NCCAZ100

Analog Devices の ADSP-21161NCCAZ100 は、オーディオ、ビデオ、医療、産業アプリケーションを対象とした別のデジタル信号プロセッサICです。このBGAコンポーネントは、1 Mbitの統合SRAM、I2S経由での16 Tx/Rxストリーム、SPIバス、JTAGインターフェースを含む、多くの統合ペリフェラルを提供します。32ビット固定小数点、32ビット浮動小数点（単精度）、40ビット浮動小数点（拡張精度）のデータ形式を最大660 MFLOPSでサポートします。

ベンチマーク評価アルゴリズムとして、このコンポーネントは1024ポイントの複素FFT計算をわずか92μs、有限インパルス応答フィルタをタップあたり5ns（100 MHz命令レート）で完了します。これにより、プロセッサはリアルタイムのオーディオおよび画像処理アプリケーションに理想的です。重要なベンチマークアルゴリズムの計算時間は以下の通りです。

ADSP-21161NCCAZ100 のベンチマークアルゴリズムに対する性能。ADSP-21161NCCAZ100 データシートより。

Texas Instruments, 66AK2E05XABDA4

66AK2E05XABDA4 デジタル信号プロセッサICは、上記のTIコンポーネントよりも高価ですが、はるかに高速な処理速度と多くのペリフェラルへのアクセスを提供します。また、2つのUSB 3.0インターフェースと2つのPCIeペリフェラルともインターフェースできます。さらに、32x GPIO、2x UART、3x SPIインターフェース、1 GBEおよび10 GBE Ethernetも提供します。すべては1.4 GHzクロックレートのクアッドコアARM A15上に構築されています。処理能力に関しては、このコンポーネントは32ビット固定小数点（1.2 GHzで38.4 GMACS/Core）および浮動小数点（1.2 GHzで19.2 GFlops/Core）の計算を提供します。66AK2E05XABDA4には、64ビット幅の1.5-V DDR3 SDRAM EMIFインターフェースが含まれています。

66AK2E05XABDA4 デジタル信号プロセッサICの機能ブロック図。66AK2E05XABDA4 データシートより。

デジタル信号プロセッサICを探しているときは、Octopartで上記の部品やその他多くのオプションを見つけることができます。次のPCBのためのサポートコンポーネントも多数見つかります。

最新の記事を読むために、ニュースレターに登録してください。