임베디드 애플리케이션을 위한 디지털 신호 프로세서 IC 옵션

작성 날짜: 2020/04/17 금요일
업데이트 날짜: 2024/07/1 월요일

임베디드 베이스보드에 있는 디지털 신호 처리기 IC.

디지털 신호 처리기 IC가 없다면, 전화 통화, 스트리밍 비디오, 스트리밍 음악, 스마트폰 카메라 등이 설계대로 작동하지 않을 것입니다. 많은 새로운 시스템에서 중요한 디지털 신호 처리 작업을 실행하는 알고리즘은 SoC에 통합되거나, 임베디드 OS 인스턴스에서 소프트웨어로 실행되거나, 클라우드로 오프로드됩니다(예: 클라우드 연결 임베디드 시스템에서). 이러한 작업은 하드웨어 수준, 소프트웨어 수준 또는 둘 다에서 정의되어야 하며, 구성 요소 선택은 계산 시간과 결과의 정확성을 결정합니다.

디지털 신호 처리기 IC와 FPGA의 비교

5G 및 엣지 컴퓨팅과 같은 응용 분야는 처리 능력을 위해 FPGA 대신 맞춤형 SoC 및 전문 디지털 신호 처리기 IC 구성 요소를 선호하고 있습니다. 이 시장의 성장은 프로그래밍의 용이성과 더 큰 전문화, 병렬 처리의 필요성이 적기 때문에 이미 FPGA 시장과 비슷한 속도로 성장할 것으로 예상됩니다. 시장 환경과 장치 요구 사항의 이러한 변화로 인해 디지털 신호 처리기 IC 옵션을 FPGA와 비교하는 것이 도움이 됩니다. 이들은 같은 기능을 수행할 수 있지만, 다른 방식과 다른 성능 지표로 수행됩니다.

두 유형의 구성 요소 모두 고정 소수점 및 부동 소수점 산술 연산을 수행할 수 있으며, 비슷한 발자국을 가지고 있고, 경우에 따라 산술 연산 당 비슷한 비용을 가집니다. 그러나, 기능 세트, 프로그래밍 학습 곡선, 전문화 수준이 완전히 다릅니다. FPGA는 맞춤형 프로그래밍을 크게 제공하는 반면, DSP는 전문 신호 처리 응용 프로그램을 위한 것입니다(이름에서 알 수 있듯이). 일부 전문 혼합 신호 FPGA만이 ADC/DAC 블록을 포함하는 반면, 대부분의 고성능 DSP는 센서 및 기타 계측기와의 인터페이스를 위해 DAC/ADC 블록을 포함할 것입니다.

요약하자면, 매우 맞춤화 가능하고 공유 가능한 리소스, 더 빠른 처리 속도, 상당한 병렬 처리가 필요한 프로세서가 필요할 때, 더 빠른 계산과 MAC 당 낮은 비용을 가지므로 FPGA가 더 나은 선택입니다. 그러나 속도가 결정적인 요소가 아니고 특정 통합 기능이 필요한 경우, 디지털 신호 처리기 IC를 사용하는 것이 더 좋습니다. 낮은 클록/MAC 비율에서는 FPGA와 비슷한 MAC 당 비용으로 더 빠른 계산을 볼 수 있습니다.

디지털 신호 처리기 IC는 표준 프로토콜을 통해 다른 구성 요소와 인터페이스해야 합니다.

디지털 신호 처리기 IC 벤치마크

디지털 신호 처리기 IC를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 지침이 있습니다:

곱하기-누적(MAC) 비율: 이는 다음 항목과 관련이 있지만, 고정 소수점 또는 부동 소수점 연산에 대한 비트 깊이에도 의존합니다. 이는 디지털 신호 처리기 IC의 성능을 평가하는 데 사용되는 주요 벤치마크입니다.
클록/명령어 비율: 명령어 비율은 일반적으로 MIPS(백만 명령어 처리 속도) 또는 사이클 시간 값으로 측정됩니다.
벤치마크 알고리즘에 대한 성능: 벤치마크 알고리즘에 대한 계산 시간의 구체적인 측정은 자신의 알고리즘을 비교할 수 있는 기준을 제공합니다. 두 가지 일반적인 벤치마크 알고리즘은 유한 임펄스 응답 필터링과 FFT입니다.
통합 주변 장치에 대한 접근: 이러한 IC는 일반적으로 단일 패키지에서 다중 프로그래밍 가능한 I/O와 인터페이스를 제공하여 다른 구성 요소와의 인터페이스를 제공합니다. IC에서 사용 가능한 신호 프로토콜에 주의하세요.
비용: 이러한 구성 요소의 장점 중 하나는 비슷한 MCU나 FPGA(위 참조)에 비해 신호 처리 작업에 대한 더 높은 성능을 더 낮은 비용으로 제공한다는 것입니다. 외부 주변 장치나 인터페이스에 대한 접근이 필요하지 않는 한 과도하게 구매하는 것은 거의 이점이 없습니다.

고성능 디지털 신호 처리기 IC 옵션

이 옵션들은 유사한 클록 속도와 비용으로 FPGA 대비 더 빠르고 정확한 계산을 제공합니다. 이러한 구성 요소의 프로그래밍 학습 곡선도 더 쉬워 많은 설계자들이 FPGA를 사용할 때보다 더 빠르게 새로운 제품을 생산에 투입할 수 있도록 도와줍니다.

Texas Instruments, TMS320C6720BRFP200

Texas Instruments의 TMS320C6720BRFP200은 32비트 고정 소수점, 32비트 부동 소수점(단정도), 또는 64비트 부동 소수점(배정도) 계산을 지원하는 저비용 디지털 신호 처리기 IC입니다. 이 구성 요소에 대한 이상적인 응용 프로그램에는 고성능 오디오 시스템(예: 실시간 효과, 오디오 합성, 악기 모델링, 인코딩/방송), 의료 영상(예: 3D 단층 촬영 및 이미지 처리), 생체 인식 및 기타 특수 신호 처리 작업이 필요한 응용 프로그램이 포함됩니다.

이 구성 요소는 ADC/DAC 블록을 포함하지 않지만, 외부 ADC/DAC 구성 요소에 연결하기 위한 2개의 SPI 및 2개의 I2C 인터페이스를 포함합니다. 이 구성 요소는 또한 외부 호스트 CPU가 구성 요소의 메모리에 병렬로 접근할 수 있는 범용 호스트-포트 인터페이스(UHPI)를 포함합니다. 일부 다른 디지털 신호 처리기 IC와 달리, 계산에서 일정 수준의 병렬 처리가 있습니다:

350 MHz에서 CPU는 사이클당 최대 8개의 명령어(그 중 6개는 부동 소수점 명령어)를 병렬로 실행하여 최대 2800 MIPS/2100 MFLOPS의 성능을 낼 수 있습니다. CPU는 32비트 고정 소수점, 32비트 단정도 부동 소수점, 및 64비트 배정도 부동 소수점 연산을 기본적으로 지원합니다 [TMS320C6720BRFP200 데이터시트에서]

TMS320C6720BRFP200 디지털 신호 프로세서 IC 기능 블록 다이어그램

TMS320C6720BRFP200 디지털 신호 프로세서 IC의 기능 블록 다이어그램. TMS320C6720BRFP200 데이터시트에서 발췌.

Analog Devices, ADSP-21161NCCAZ100

Analog Devices의 ADSP-21161NCCAZ100은 오디오, 비디오, 의료 및 산업 응용 분야를 대상으로 하는 또 다른 디지털 신호 프로세서 IC입니다. 이 BGA 구성 요소는 1 Mbit 통합 SRAM, I2S를 통한 16 Tx/Rx 스트림, SPI 버스 및 JTAG 인터페이스를 포함한 많은 통합 주변 장치를 제공합니다. 32비트 고정 소수점, 32비트 부동 소수점(단정도), 40비트 부동 소수점(확장 정밀도) 데이터 형식을 최대 660 MFLOPS에서 지원합니다.

벤치마크 평가 알고리즘으로, 이 구성 요소는 1024 포인트 복소 FFT 계산을 단 92 μs만에 완료하고 유한 임펄스 응답 필터를 탭당 5 ns(100 MHz 명령 속도)로 처리합니다. 이는 프로세서를 실시간 오디오 및 이미지 처리 응용 프로그램에 이상적으로 만듭니다. 중요한 벤치마크 알고리즘에 대한 계산 시간은 아래에 나와 있습니다.

ADSP-21161NCCAZ100 벤치마크 알고리즘 대비 성능. ADSP-21161NCCAZ100 데이터시트에서 발췌.

Texas Instruments, 66AK2E05XABDA4

66AK2E05XABDA4 디지털 신호 프로세서 IC는 위에 표시된 TI 구성 요소보다 더 높은 비용을 지니지만, 훨씬 빠른 처리 속도와 훨씬 더 많은 주변 장치에 대한 접근을 제공합니다. 또한 2개의 USB 3.0 인터페이스와 2개의 PCIe 주변 장치와도 인터페이스할 수 있습니다. 또한 32x GPIO, 2x UART 및 3x SPI 인터페이스뿐만 아니라 1 GBE 및 10 GBE 이더넷을 제공합니다. 모든 것은 1.4 GHz 클록 속도의 쿼드 코어 ARM A15 위에 구축되어 있습니다. 처리 능력 측면에서, 이 구성 요소는 32비트 고정 소수점(코어당 1.2 GHz에서 38.4 GMACS) 및 부동 소수점(코어당 1.2 GHz에서 19.2 GFlops) 계산을 제공합니다. 66AK2E05XABDA4에는 64비트 너비, 1.5-V DDR3 SDRAM EMIF 인터페이스가 포함되어 있습니다.