分散式異構處理為FPGA打開全新的應用領域
感測器的成本不斷降低，同時市場對於更高性能I/O介面以及「實時在線、實時感知」功能的需求越來越高，這對電池供電移動設備的設計者提出了新的挑戰。從手機、無人機、可穿戴產品到工業設備領域，工程師們面臨著同樣的問題，即如何用更短的時間處理大量數據，同時降低系統功耗以滿足客戶對更長電池使用時間的需求？
設計工程師們正在放棄以CPU為中心的傳統設計方法，意識到必須充分利用現代系統中多樣化的處理器和感測器在最大限度降低功耗的同時，滿足更高的計算要求。為此，設計工程師正在轉向分散式異構處理（Distributed Heterogenous Processing, DHP）架構。
什麼是分散式異構處理（DHP）？
DHP不使用雲端執行演算法，而是使用不同的本地處理器滿足複雜協處理的需求。使用低功耗FPGA內置的數字信號處理器（DSP）執行重複的數字處理任務，可減少功耗極大的應用處理器（AP）的計算負載，從而實現更長時間的睡眠模式以延長電池使用時間。
DHP技術的廣泛採用為FPGA進一步打開了應用空間。得益於更大的存儲空間、更強的計算能力以及低功耗、高度緊湊的小尺寸等特性，各類全新的FPGA應用以及新一代FPGA變得更有用武之地。我們最新推出的iCE40 UltraPlusFPGA相比上一代產品可提供8倍的存儲空間以及2倍數量的DSP，而靜態功耗僅為75μA。讓我們來看看一些潛在的使用情境。
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感測和檢測加速
第一種使用情境是移動設備的喚醒。如今，越來越多電池供電的設備支持實時感測器緩存，在應用處理器處於睡眠模式時執行感測和檢測加速。為了儘可能降低功耗以延長電池使用時間，這些移動設備需要屏蔽假喚醒，使得應用處理器儘可能長時間地保持在睡眠模式。
通常情況下，這些系統使用雙擊、「搖一搖喚醒」或指紋、手勢、虹膜掃描技術來喚醒應用處理器。一般進行兩個步驟。首先，系統確定是否發生喚醒動作。然後，確定指紋、手勢或虹膜掃描是否準確。
最近，設計工程師使用放在感測器和應用處理器之間的小尺寸FPGA來檢測喚醒觸發，例如是否進行了指紋掃描。一旦喚醒觸發被確認，FPGA將喚醒應用處理器以驗證指紋是否正確。得益於iCE40 UltraPlus FPGA的更大存儲空間和更強計算能力，設計工程師現在可以同時執行上述兩步喚醒處理功能，使得應用處理器更長時間地保持睡眠模式。
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高性能音頻處理
聲束形成為FPGA提供了另一個潛在的新應用領域。為了實現聲束形成，應用程序設計工程師需要構建高質量音頻處理功能以在嘈雜的環境中分離出特定的音頻信號。但是，系統該如何在多人說話的房間里檢測來自某個人的語音指令呢？
波束成形技術使用多個麥克風陣列來分離特定的聲音和不需要的雜訊。一些市場上的領先產品採用波束成形技術以及多個麥克風來區分用戶語音與其他人的語音和背景雜訊。不過，市場上的大多數應用處理器僅支持兩個麥克風。要實現上述功能，設計工程師需要使用多達7個麥克風，而且要確保24小時不間斷工作的情況下也不會耗盡電池。
為了達到上述目標，設計工程師可以將麥克風陣列連接到iCE40 UltraPlus FPGA，然後將FPGA介面與音頻處理器連接。FPGA的乘法器和累加器（MAC）塊用於PDM抽取和濾波，而其更大的存儲空間則可以支持麥克風延遲線。這種設計方法還能支持設計工程師使用片上MAC定製系統，構建非常靈活的波束成形濾波器、雜訊消除系統或均衡功能。
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