Spectrum儀器新增SCAPP選項(xiàng)以加速和簡(jiǎn)化信號(hào)處理

目前數(shù)字化儀所面臨的主要瓶頸來自于使用8核或16核主機(jī)中央處理器或是復(fù)雜的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)。Spectrum今日宣布新增用于并行處理的Spectrum CUDA訪問選項(xiàng)(SCAPP)來解決這一問題。該功能對(duì)于電子信號(hào)的數(shù)字化、處理以及分析都極其簡(jiǎn)便且行之有效。SCAPP選項(xiàng)能夠使基于CUDA的圖形處理器(CPU)在Spectrum數(shù)字化儀與主機(jī)之間直接使用。然而，該選項(xiàng)最大的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)能夠直接從數(shù)字化儀傳輸至GPU，而數(shù)據(jù)能夠通過GPU板的并行處理核(高達(dá)5000)進(jìn)行高速并行處理。與直接將數(shù)據(jù)傳輸給8核或16核的主機(jī)相比，SCAPP選項(xiàng)性能顯著增強(qiáng)。在50 MS/s, 500 MS/s 或 5 GS/s等高速信號(hào)數(shù)字化時(shí)，該功能則變得尤為重要。

Spectrum儀器SCAPP選項(xiàng)

Spectrum儀器公司采用了標(biāo)準(zhǔn)可用的GPU(基于Nvidia的 CUDA標(biāo)準(zhǔn))，它能夠不通過CPU直接與Spectrum數(shù)字化儀卡連接，為CUDA卡的信號(hào)處理能力開啟了巨大的并行核架構(gòu)。CUDA顯示卡的結(jié)構(gòu)非常合理，就像是為并行數(shù)據(jù)處理而設(shè)計(jì)的。其數(shù)據(jù)處理能力與大多數(shù)處理器相同，例如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、篩選、平均、基線抑制、FFT窗口功能或FFT都可以輕松實(shí)現(xiàn)并行處理。

信號(hào)處理方法

直到今天，高速數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)處理分為兩種不同的方式。第一種也是最常見的方法是直接使用CPU計(jì)算。這種方法可以零成本的直接使用不同的編程語言來編寫處理程序。然而，這種方式所獲得的效果往往受到CPU資源的限制，因?yàn)樗仨毰c其余的PC系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和GUI組件一同分享處理能力。

第二種方法是采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)技術(shù)，使用供應(yīng)商提供的固定處理包(如Spectrum儀器的Block Average)或使用固件開發(fā)工具包(FDK)所提供的開源FPGA。這確實(shí)是一個(gè)有效的解決方法，但是其費(fèi)用相當(dāng)昂貴而過程復(fù)雜。大型FPGA費(fèi)用昂貴，使用這種技術(shù)需要數(shù)字化儀供應(yīng)商提供的FDK和FPGA供應(yīng)商提供的其它實(shí)施工具。同時(shí)，并不是每個(gè)人都具備使用VHDL實(shí)現(xiàn)FPGA信號(hào)處理的專業(yè)知識(shí)。這無形中就導(dǎo)致開發(fā)周期緩慢。更糟糕的是，它很容易受到焊接在卡片上的FPGA的限制。舉個(gè)例子來說，如果RAM模塊處于極限便不能夠再改進(jìn)了。

總擁有成本

與任意基于FPGA的解決方案相比，使用SCAPP的總擁有成本(TCO)非常低。一個(gè)匹配的CUDA顯示卡價(jià)格在150 到 3000歐元左右，必要的軟件開發(fā)包(SDKs)是免費(fèi)的。然而，節(jié)省最多的是開發(fā)成本。相比花費(fèi)數(shù)周的時(shí)間理解FDK、FPGA固件的結(jié)構(gòu)、FPGA設(shè)計(jì)組件和模擬工具，用戶可以通過一些通俗易懂的C-Code和常見的設(shè)計(jì)工具立即開始工作。

產(chǎn)品細(xì)節(jié)

SCAPP驅(qū)動(dòng)包含有遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問(RDMA)的擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)程序，可供數(shù)字化儀直接向GPU傳輸數(shù)據(jù)。它包含一套數(shù)字化儀和CUDA卡之間的交互案例和另外一套CUDA并行處理案例，輕松建立過濾模塊、平均模塊、數(shù)據(jù)多路解編，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或FFT模塊。所有軟件都基于C/C++語言，課通過普通編程技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。使用測(cè)試和優(yōu)化并行處理案例可在幾分鐘內(nèi)得出首批測(cè)試結(jié)果。

效果

數(shù)字化儀和GPU之間的互連是基于PCI Express。通過選定的Spectrum數(shù)字化儀卡片，數(shù)字化儀和GPU之間可以實(shí)現(xiàn)超過3.0 GByte/s以上的連續(xù)吞吐率。足以支持采樣率為2.5GS/s的單通道8位數(shù)字化儀或運(yùn)行速度為500MS/s的雙通道14位數(shù)字化儀的連續(xù)數(shù)據(jù)獲取。通過使用Spectrum儀器的轉(zhuǎn)移帶寬存儲(chǔ)數(shù)據(jù)獲取模式，比如多重記錄模式和采樣速度都能達(dá)到更高水平。

CUDA卡片的大小比較靈活，處理內(nèi)核在256和5000之間(相比之下，一個(gè)具有超線程的雙倍Quad-Core Xeon CPU只能提供16個(gè)內(nèi)核)，配有高達(dá)幾個(gè)G的內(nèi)存以及12.0TFLOP(1012 -每秒萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算)。一個(gè)具有1000核和3.0TFLOP的小卡片已經(jīng)有足夠的能力搭配一個(gè)雙通道，采樣率為500 MS/s數(shù)字化儀配以512k的FFT模塊進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，多路復(fù)用，窗口，F(xiàn)FT和求平均值。相比之下，從其它數(shù)字化儀供應(yīng)商處獲得的FFT包將會(huì)受到FFT模塊大小的限制，最大值為4k 或8k，因?yàn)檫@是FPGA的極限。

可支持的Spectrum產(chǎn)品

SCAPP包是所有Spectrum卡片的擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)。它可以被用于M4i平臺(tái)(250 MS/s 16位， 500MS/s 14 位或 5 GS/s 8 位)和最新中級(jí)效能M2p平臺(tái)(20 至80MS/s多通道16位)的超快數(shù)字化儀。在Linux操作系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)基本的RDMA功能。