DSP 即數字信號處理技術, DSP 芯片即指能夠實現數字信號處理技術的芯片。 DSP 芯片是一種快速強大的微處理器,獨特之處在于它能即時處理資料。 DSP 芯片的內部采用程序和數據分開的哈佛結構,具有專門的硬件乘法器,可以用來快速的實現各種數字信號處理算法。 在當今的數字化時代背景下, DSP 己成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件。
 
DSP 芯片的誕生是時代所需。 20 世紀 60 年代以來,隨著計算機和信息技術的飛速發展,數字信號處理技術應運而生并得到迅速的發展。在 DSP 芯片出現之前數字信號處理只能依靠微處理器來完成。但由于微處理器較低的處理速度不快,根本就無法滿足越來越大的信息量的高速實時要求。因此應用更快更高效的信號處理方式成了日漸迫切的社會需求。
 
上世紀 70 年代, DSP 芯片的理論和算法基礎已成熟。但那時的 DSP 僅僅停留在教科書上,即使是研制出來的 DSP 系統也是由分立元件組成的,其應用領域僅局限于軍事、航空航天部門。
 
1978 年, AMI 公司發布世界上第一個單片 DSP 芯片 S2811,但沒有現代 DSP 芯片所必須有的硬件乘法器;
 
1979 年, 美國 Intel 公司發布的商用可編程器件 2920 是 DSP 芯片的一個主要里程碑,但其依然沒有硬件乘法器;
 
1980 年,日本 NEC 公司推出的 MPD7720 是第一個具有硬件乘法器的商用 DSP 芯片,從而被認為是第一塊單片 DSP 器件。
 
DSP 芯片的誕生過程
 
1982 年世界上誕生了第一代 DSP 芯片 TMS32010 及其系列產品。這種 DSP 器件采用微米工藝 NMOS 技術制作,雖功耗和尺寸稍大,但運算速度卻比微處理器快了幾十倍。 DSP 芯片的問世是個里程碑,它標志著 DSP 應用系統由大型系統向小型化邁進了一大步。至 80 年代中期,隨著 CMOS 工藝的 DSP 芯片應運而生,其存儲容量和運算速度都得到成倍提高,成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。
 
80 年代后期,第三代 DSP 芯片問世。 運算速度進一步提高,其應用范圍逐步擴大到通信、計算機領域;
 
90 年代 DSP 發展最快,相繼出現了第四代和第五代 DSP 芯片。 第五代與第四代相比系統集成度更高,將 DSP 芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上。
 
進入 21 世紀后,第六代 DSP 芯片橫空出世。第六代芯片在性能上全面碾壓第五代芯片,同時基于商業目的的不同發展出了諸多個性化的分支,并開始逐漸拓展新的領域。
 
DSP 芯片的應用領域
DSP 芯片強調數字信號處理的實時性。 DSP 作為數字信號處理器將模擬信號轉換成數字信號,用于專用處理器的高速實時處理。 它具有高速,靈活,可編程,低功耗的界面功能,在圖形圖像處理,語音處理,信號處理等通信領域起到越來越重要的作用。
 
DSP 芯片在市場上的應用情況
 
應用 DSP 的領域較多, 未來新應用領域有望層出不窮。 根據美國的權威資訊公司統計,目前 DSP 芯片在市場上應用最多的是通信領域, 占 56.1%;其次是計算機領域,占 21.16%;消費電子和自動控制占 10.69%;軍事/航空占 4.59%;儀器儀表占 3.5%;工業控制占 3.31%;辦公自動化占 0.65%。
 
DSP 芯片的應用領域
 
1)DSP 芯片在多媒體通信領域的應用。 
 
媒體數據傳輸產生的信息量是巨大的,多媒體網絡終端在整個過程中需要對獲取的信息量進行快速分析和處理,因此 DSP 被運用在語音編碼,圖像壓縮和減少語音通信上。如今 DSP 對于語音解碼計算產生實時效果,設計協議要求已經成為最基本的一條國際標準。
 
2)DSP 芯片在工業控制領域的應用。 
 
在工業控制領域, 工業機器人被廣泛應用,對機器人控制系統的性能要求也越來越高。機器人控制系統重中之重就是實時性,在完成一個動作的同時會產生較多的數據和計算處理,這里可以采用高性能的 DSP。 DSP 通過應用到機器人的控制系統后,充分利用自身的實時計算速度特性,使得機器人系統可以快速處理問題,隨著不斷提高 DSP 數字信號芯片速度,在系統中容易構成并行處理網絡,大大提高控制系統的性能,使得機器人系統得到更為廣泛的發展。
 
3)DSP 芯片在儀器儀表領域的應用。 
 
DSP 豐富的片內資源可以大大簡化儀器儀表的硬件電儀路,實現儀器儀表的 SOC 設計。器儀表的測量精度和速度是一項重要的指標,使用 DSP 芯片開發產品可使這兩項指標大大提高。例如 TI 公司的 TMS320F2810 具有高效的 32 位 CPU 內核,12 位 A/D 轉換器,豐富的片上存儲器和靈活的指揮系統,為高精密儀器搭建了廣闊的平臺。高精密儀器現在已經發展成為 DSP 的一個重要應用,正處于快速傳播時期,將推動產業的技術創新。
 
美國德州儀器公司的 TMS320 芯片
 
3)DSP 芯片在汽車安全與無人駕駛領域的應用。 
 
汽車電子系統日益興旺發達起來,諸如裝設紅外線和毫米波雷達,將需用 DSP 進行分析。如今,汽車愈來愈多,防沖撞系統已成為研究熱點。而且,利用攝像機拍攝的圖像數據需要經過 DSP 處理,才能在駕駛系統里顯示出來,供駕駛人員參考。
 
4)DSP 芯片在軍事領域的應用。 
 
DSP 的功耗低、體積小、實時性反應速度都是武器裝備中特別需要的。如機載空空導彈,在有限的體積內裝有紅外探測儀和相應的 DSP 信號處理器等部分,完成目標的自動鎖定與跟蹤。先進戰斗機上裝備的目視瞄準器和步兵個人攜帶的頭盔式微光儀,需用 DSP 技術完成圖像的濾波與增強,智能化目標搜索捕獲。 DSP 技術還用于自動火炮控制、巡航導彈、預警飛機、相控陣天線等雷達數字信號處理中。

 

 
高端市場被國外公司壟斷
目前, 世界上 DSP 芯片制造商主要有 3 家:德州儀器(TI)、 模擬器件公司(ADI)和摩托羅拉(Motorola) 公司,其中 TI 公司獨占鰲頭, 占據絕大部分的國際市場份額, ADI 和摩托羅拉公司也有一定市場。
 
德州儀器公司(TI) 是 DSP 業界公認的龍頭老大, 公司在 1982 年成功推出了其第一代 DSP 芯片 TMS32010,由于 TMS320 系列 DSP 芯片具有價格低廉、簡單易用、功能強大等特點,所以逐漸成為目前最有影響、最為成功的 DSP 系列處理器。 
 
在 TI 公司主打的三個系列中, c2000 系列現在所占市場份額較小,如今 TI 官網上的 DSP 產品主要以 c6000 與 c5000 為主。 TI 的三大主力 DSP 產品系列為 C2000 系列主要用于數字控制系統; C5000(C54x、 C55x)系列主要用于低功耗、便攜的無線通信終端產品; C6000 系列主要用于高性能復雜的通信系統。 C5000 系列中的 TMS320C54x 系列 DSP 芯片被廣泛應用于通信和個人消費電子領域。
 
C6000 系列主打產品為: C6000 DSP+ARM 處理器(12)——OMAP-L1x (5)、66AK2x (7); C6000 DSP (94)——C674xDSP (5)、 C66x DSP (11)
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C5000 系列主打產品為: C55x 超低功耗 DSP,為超低功耗的緊湊型嵌入式產品提供高效的信號處理。
 
TI 公司的 DSP 產品主要應用范圍在機器視覺、航空電子和國防、尺寸、重量和功耗(SWAP)、音頻、視頻編碼 / 解碼與生物識別領域。
 
TI 公司官網上的主打的四款 DSP 芯片產品
 
目前, ADI 公司有六款主打產品,分別應用在語音處理、圖像處理、過程控制、測控與測量等領域。
 
ADI 公司主打 DSP 產品及應用領域
 
摩托羅拉公司也是全球較大的 DSP 芯片生產商,其產品包括定點的和浮點的,專用的和通用的, 16 位和 24 位以及 32 位。 DSP 芯片主要應用于語音處理、通信、數字相機、多媒體、控制等領域。 主打產品有 DSP56000 系列、 DSP56800 系列、DSP56800E 系列、 MSC8100 系列、 DSP56300 系列等。
 
未來 DSP 技術將向以下幾個方面繼續發展與更新:
 
1)DSP 芯核集成度越來越高。
 
縮小 DSP 芯片尺寸一直是 DSP 技術的發展趨勢,當前使用較多的是基于 RISC 結構,隨著新工藝技術的引入,越來越多的制造商開始改進 DSP 芯核,并且把多個 DSP 芯核、 MPU 芯核以及外圍的電路單元集成在一個芯片上,實現了 DSP 系統級的集成電路。
 
2)可編程 DSP 芯片將是未來主導產品。 
 
隨著個性化發展的需要, DSP 的可編程化為生產廠商提供了更多靈活性,滿足廠家在同一個 DSP 芯片上開發出更多不同型號特征的系列產品,也使得廣大用戶對于 DSP 的升級換代。 例如冰箱、洗衣機,這些原來裝有微控制器的家電如今已換成可編程 DSP 來進行大功率電機控制。
 
3)定點 DSP 占據主流。
 
目前,市場上所銷售的 DSP 器件中,占據主流產品的依然是 16 位的定點可編程 DSP 器件,隨著 DSP 定點運算器件成本的不斷低,能耗越來越小的優勢日漸明顯,未來定點 DSP 芯片仍將是市場的主角。
 
FPGA 芯片與 DSP 芯片的相愛相殺
FPGA 即現場可編程門陣列, 它是作為專用集成電路(ASIC) 領域中的一種半定制電路而出現的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。 有了 FPGA 芯片, 可以用程序編一個新發明的 CPU 內核出來,嵌到 FPGA 芯片中去, 并且可以嵌入多個。
 
FPGA 的基本架構
 
國際 FPGA 市場被四大巨頭壟斷, 分別是賽靈思、阿爾特拉、美高森美以及萊迪思。阿爾特拉和賽靈思是 FPGA 的發明者,其中阿爾特拉于 1983 年發明世界上第一款可編程邏輯器件,賽靈思于 1985 年公司推出的全球第一款 FPGA 產品 XC2064。 根據 2017 年公司財務數據統計,賽靈思營收 23.49 億美元, 阿爾特拉(被英特爾收購)為 19.02 億美元,美高森美 FPGA 業務為 4.21 億美元,萊迪思為 3.86 億美元。 賽靈思和阿爾特拉兩家公司幾乎占據了整個國際市場的 90%。
 
2017 年 FPGA 四巨頭市場占有率
 
FPGA 芯片與 DSP 芯片是有區別的。 DSP 是專門的微處理器,適用于條件進程,特別是較復雜的多算法任務。 FPGA 包含有大量實現組合邏輯的資源,可以完成較大規模的組合邏輯電路設計,同時還包含有相當數量的觸發器,借助這些觸發器, FPGA 又能完成復雜的時序邏輯功能。
 
2016 年 FPGA 芯片的應用領域
 
FPGA 芯片與 DSP 芯片是有區別的。 DSP 是專門的微處理器,適用于條件進程,特別是較復雜的多算法任務。 FPGA 包含有大量實現組合邏輯的資源,可以完成較大規模的組合邏輯電路設計,同時還包含有相當數量的觸發器,借助這些觸發器, FPGA 又能完成復雜的時序邏輯功能。
 
DSP 芯片的通用性相對弱, FPGA 則通用性更強;
 
DSP 具有軟件的靈活性, 而 FPGA 具有硬件的高速性;
 
DSP 對較低速的事件串聯執行, 但是處理前可能會有些時延, 而 FPGA 不能處理多事件, 因為每個事件都有專用的硬件, 但是采用這種專用硬件實現的每個事件的方式可以使各個事件同時執行; 
 
DSP 是按照指令的順序流來編程的,而 FPGA 是以框圖方式編程的, 這樣很容易看數據流。
 
 
FPGA 芯片與 DSP 芯片的比較
 
在既強調結構靈活、 通用性,以及處理復雜算法的需求下,往往將 DSP 和 FPGA 聯合起來,采用 DSP+FPGA 結構, 或者將 DSP 模塊嵌入的 FPGA 芯片中,這也是未來設計的一種趨勢。
 
告別無“芯”之痛, 國產 DSP 獲突破
“核高基”重大專項從國家層面大力推動國產高端芯片的研發。 2006 年,國務院頒布了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006 年 -2020 年)》,“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品”(簡稱“核高基重大專項”)位列 16 個科技重大專項首位,也被稱之為“01 專項”。
 
專項的實施極大地提升了我國集成電路產業的發展速度。 2001~2016 年間,我國集成電路市場規模由 1260 億元增加至約 12000 億元,占全球市場份額的將近 60%,產業銷售額擴大超過 23 倍,由 188 億元擴大至 4336 億元。國內對 DSP 方面的研究起步較晚,但是發展較快。 中電科 14 所承擔起研發 DSP 芯片的任務。 
 
10 年磨一劍, 14 所跟龍芯公司、清華大學合作開發國產 DSP 芯片華睿 1 號在 2012 年通過核高基專項組驗收。華睿 1 號成功應用于 14 所十多型雷達產品中,創造了國產多核 DSP 芯片產品應用的“三個之最”: 雷達裝備應用型號最多、單臺套應用數量最多和總應用數量最多。 目前, 華睿 2 號已成功研制出,并已經通過所內測試,并將很快推向市場。 下一步, 14 所計劃將在華睿 3 號上采用更為先進的制造工藝,進一步提高主頻, 提高通用性能, 在專用性能方面采用流處理器方式,提高專用計算的性能,同時降低功耗。
 
“華睿 1 號”代表國內 DSP 芯片工藝最高水平。 在處理系統設計方面采用了 DSP 和 CPU 多核架構設計技術, 實測表明, “華睿 1 號”的處理能力和能耗具有明顯優勢,運行多任務實時操作系統十分穩定,芯片的整體技術指標達到或優于國際同類產品水平。華睿 1 號填補了我國在多核 DSP 領域的空白,對提高我國高端芯片的自主研發能力、提升我國電子整機裝備研制水平、保障國家信息安全等方面具有重大意義與影響。
 
華睿芯片
 
魂芯 1 號是由中國電子科技集團第 38 所吳曼青團隊研制成功的, 2012 年完成測試。 魂芯一號(BWDSP100) 是一款 32 位靜態超標量處理器, 屬于 DSP 第二發展階段的產品。該芯片基于 55nm 制作工藝實現的,具有完全自主知識主權。
 
魂芯一號
 
魂芯 1 號達到國際主流 DSP 芯片水平,與美國模擬器件公司(ADI) TS201 芯片新能相近。 TS201 是 ADI 公司的一款主流 DSP 芯片, 它集成了定點和浮點計算功能的高速 DSP。該處理器廣泛應用于視頻、通信市場和國防軍事裝備中,適合于大數據量實時處理的應用領域。
 
 
魂芯 1 號與 TS201 特性對比
 
魂芯 1 號是一款高性能通用 DSP,可廣泛應用于各類高性能信號處理領域, 典型的整機裝備應用包括雷達、聲納、電子對抗等。
 
魂芯 2 號 A 剛剛發布, 單核性能超過當前國際同類芯片性能 4 倍。 2018 年 4 月 23 日, 中國電科 38 所發布了 魂芯 2 號 A, 該芯片采用全自主體系架構,研發歷時 6 年, 相對于魂芯 1 號,魂芯 2 號 A 性能提升了 6 倍,通過單核變多核、擴展運算部件、升級指令系統等手段,使器件性能千億次浮點運算同時,具有相對良好的應用環境和調試手段;單核實現 1024 浮點 FFT (快速傅里葉變換)運算僅需 1.6 微秒,運算效能比德州儀器公司 TMS320C6678 高 3 倍,實際性能為其 1.7 倍,器件數據吞吐率達每秒 240Gb。

 

 
DSP 芯片在民用信息領域市場空間巨大
DSP 芯片支持通信、計算機和消費類電子產品的數字化融合。在無線領域 DSP 遍及無線交換設備、基站和手持終端; 在網絡領域, DSP 涵蓋從基礎設施到寬帶入戶設備, 包括 IP 網關和 IP 電話和電纜調制解調器等。隨著中國數字消費類產品需求的大幅增長,以及 DSP 對數字信號高速運算與同步處理能力的提高, DSP 的應用領域將逐漸從移動電話領域擴展到新型數字消費類領域,從而應用領域橫跨 3C,且分布將日趨均衡。
 
DSP 芯片在智能手機中扮演重要角色。 DSP 芯片可以為移動電話帶來更好的語音、音頻、圖像體驗,可以極大提升手機單項功能的能力, 讓手機運行速度更快。由于 DSP 具有強大的計算能力,使得移動通信的蜂窩電話迅速崛起,并創造了一批諸如 GSM、 CDMA 等全數字蜂窩電話網。同時 DSP 芯片是移動電話等電子產品更新換代的重要決定因素。工信部數據顯示, 2017 年,移動電話用戶凈增 9555 萬戶,總數達 14.2 億戶,移動電話用戶普及率達 102.5 部 / 百人,比上年提高 6.9 部 / 百人, 移動電話需求量的穩步上升將引致 DSP 芯片等集成電路的大量需求。
 
2000~2017 年固定電話、移動電話用戶發展情況
 
移動寬帶需求量與 DSP 需求量呈正向變動。 基于 DSP 的 ADSL 和 HFC 作為兩種最常用的寬帶接入技術,同時,基于 DSP 的通用系統可以實現無線接入點通信系統,具有較好的開放性, 配置靈活, 可擴展性強,因此移動寬帶需求量與 DSP 需求量呈正向變動。截止 2017 年年底,三家基礎電信企業的固定互聯網寬帶接入用戶總數達 3.49 億戶,全年凈增 5133 萬戶。移動寬帶用戶(即 3G 和 4G 用戶)總數達 11.3 億戶,全年凈增 1.91 億戶,占移動電話用戶的 79.8%。隨著移動寬帶的普及推廣未來 DSP 市場需求可期。
 
2000~2017 年移動寬帶用戶 3G、 4G 發展情況
 
IPTV 等數字消費類產品的需求日益擴張,新型數字消費領域 DSP 芯片未來市場需求可期。 基于 DSP+FPGA 的網關實現方案可以將數字電視信號轉換為組播信號, 實現有線電視業務與電話語音業務、計算機互聯網業務的融合。近年來,國家大力出臺扶持政策、加快培育新興 IPTV、物聯網、智慧家庭等業務。 2017 年末, IPTV 用戶數達到 1.22 億戶,全年凈增 3545 萬戶。