一种高性能超长点数浮点FFT加速器设计

王 谛 石 嵩 吴铁彬 刘 亮 谭弘兵 郝子宇 过 锋 李宏亮

(江南计算技术研究所 江苏无锡 214083)

(wangdi_csarch＠126.com)

离散傅里叶变换(discrete Fourier transform,DFT)作为时域和频域转换的基本运算,在数字信号处理中占据核心地位[1],应用领域十分广泛.快速傅里叶变换[2](fast Fourier transform,FFT)是DFT的快速算法,FFT的提出促进了数字信号处理的发展,被评选为20世纪科学和工程界最具影响力的十大算法之一[3].随着高速采样和实时信号处理技术的发展,高性能超长点数FFT的需求迅速增长[4].由于FFT的算法复杂度为O(NlgN),FFT和以FFT为基础的各类时-频变换算法的计算占比愈发凸显.例如,在国际大科学工程——平方公里阵列(square kilometer array,SKA)射电望远镜项目中,FFT的计算占比达40%[5].目前已有FFT计算架构的最大吞吐率能达到100 GS/s量级[6],并且吞吐率需求以指数级速度增长,大概每5年增长10倍[7].

数十年来发展出数字信号处理器(digital signal processor,DSP)、现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)和专用集成电路(application specific integrated circuit,ASIC)等多种数字信号处理平台.DSP具有强大的运算能力和良好的可编程性,在满足性能需求的条件下,DSP是构建数字信号处理系统的首选器件.但受到指令串行执行和处理器寻址模式的限制,传统DSP的FFT运算能力低于FPGA和ASIC实现[8].

“通用核心＋加速器”的结构在获得通用处理器可编程性和灵活性的同时又能提升特定应用的性能与功耗效率,是未来处理器发展的重要方向.为了提高DSP的FFT处理能力,在DSP中集成FFT加速器成为必然选择,已有大量理论研究[9]和实际产品[10]出现.现有研究成果存在2点不足:1)与DSP核心相比,FFT加速器的峰值性能没有……