### Altera FPGA集成硬核浮点DSP：技术革新与应用价值
#### 1. FPGA浮点运算的技术瓶颈及解决方案
传统的FPGA浮点运算在遵循IEEE754标准时，面临着显著的性能瓶颈。主要原因是浮点运算过程中涉及到的归一化与去归一化步骤需要消耗大量的逻辑资源。这些步骤通常依赖于大规模桶形移位寄存器来完成，而这些寄存器在FPGA中占用了大量的查找表（LUT）资源。例如，单精度浮点加法器就需要大约500个LUT，而对于更复杂的数学运算如指数和自然对数，则需要近1000个LUT。
随着DSP算法复杂度的增加，这种资源消耗导致了FPGA性能的明显下降，并进一步引发了严重的布线拥塞问题，这对FPGA的快速互联产生了负面影响，最终影响了时序收敛。为了应对这些挑战，Altera公司在2010年推出了融合数据通路设计的概念，这是一种旨在优化浮点运算的新方法。
**融合数据通路设计**的核心在于将多个基本算子整合成一个函数或数据通路，通过对数据通路中的位增长进行分析，选择最合适的归一化输入，并为数据通路分配足够的精度。这种方法可以显著减少归一化和去归一化的步骤，从而大大减少了对桶形移位寄存器的需求。与传统方法相比，融合数据通路设计减少了50%的逻辑资源使用，并将延迟降低了一半。更重要的是，这种方法能够提供更高的数据精度。
#### 2. Arria 10 和 Stratix 10 中的硬核浮点DSP模块
随着Altera DSP模块架构的发展和软件工具的不断优化，Arria 10 和 Stratix 10 器件中的硬核浮点DSP模块成为了高性能浮点运算的代表。这些模块不仅提高了计算性能，还加速了产品的上市时间。
- **节省逻辑资源**：通过使用硬核浮点DSP模块，FPGA系统克服了之前提及的性能瓶颈。这些模块几乎不占用FPGA中用于浮点计算的逻辑资源，并且通过在硬核DSP模块中实现桶形移位寄存器，避免了使用宝贵的FPGA资源来执行归一化和去归一化操作。这种设计不仅可以节省大量的逻辑资源，还能确保即使在使用80%-90%逻辑资源的情况下，FPGA也能保持较高的fMAX性能。
- **提高数字精度**：硬核浮点DSP模块支持多种复杂的浮点运算，包括累乘、加减等操作，且输出结果符合IEEE754标准。这保证了在需要高分辨率的应用中，数值的一致性和准确性。相比之下，传统方法在FPGA内部使用二进制补码表示数据，在算法输入输出时需要进行格式转换，导致输出值与模型值之间存在偏差。然而，采用Arria 10 和 Stratix 10 器件中的硬核浮点DSP模块后，输出值与Simulink模型显示的结果高度一致。
- **提高能效**：Arria 10 和 Stratix 10 器件在FPGA业界实现了极高的能效比，分别达到了50GFLOPs/瓦特和100GFLOPs/瓦特。这是因为它们大幅减少了进行浮点运算所需的逻辑和布线资源，从而显著降低了内核动态功耗。
- **加快产品上市**：硬核浮点DSP模块支持常见的DSP模型和仿真环境，能够无缝地实现优化浮点运算。在军事雷达、通信系统等多种应用场景下，Arria 10 和 Stratix 10 器件为设计人员提供了更加高效的解决方案，平均可将设计时间缩短6-12个月。这种改进主要是由于无需额外的转换过程，即不再需要将浮点转换为定点并在FPGA中实现，这大大简化了设计流程。
Altera推出的硬核浮点DSP模块不仅解决了传统FPGA浮点运算中的关键技术难题，还通过优化设计提升了整体性能和能效，为FPGA在各种复杂计算任务中的应用开辟了新的可能性。
