DSP 即数字信号处理技术, DSP 芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。 DSP 芯片是一种快速强大的微处理器,独特之处在于它能即时处理资料。 DSP 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。 在当今的数字化时代背景下, DSP 己成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。
 
DSP 芯片的诞生是时代所需。 20 世纪 60 年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在 DSP 芯片出现之前数字信号处理只能依靠微处理器来完成。但由于微处理器较低的处理速度不快,根本就无法满足越来越大的信息量的高速实时要求。因此应用更快更高效的信号处理方式成了日渐迫切的社会需求。
 
上世纪 70 年代, DSP 芯片的理论和算法基础已成熟。但那时的 DSP 仅仅停留在教科书上,即使是研制出来的 DSP 系统也是由分立元件组成的,其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。
 
1978 年, AMI 公司发布世界上第一个单片 DSP 芯片 S2811,但没有现代 DSP 芯片所必须有的硬件乘法器;
 
1979 年, 美国 Intel 公司发布的商用可编程器件 2920 是 DSP 芯片的一个主要里程碑,但其依然没有硬件乘法器;
 
1980 年,日本 NEC 公司推出的 MPD7720 是第一个具有硬件乘法器的商用 DSP 芯片,从而被认为是第一块单片 DSP 器件。
 
DSP 芯片的诞生过程
 
1982 年世界上诞生了第一代 DSP 芯片 TMS32010 及其系列产品。这种 DSP 器件采用微米工艺 NMOS 技术制作,虽功耗和尺寸稍大,但运算速度却比微处理器快了几十倍。 DSP 芯片的问世是个里程碑,它标志着 DSP 应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至 80 年代中期,随着 CMOS 工艺的 DSP 芯片应运而生,其存储容量和运算速度都得到成倍提高,成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。
 
80 年代后期,第三代 DSP 芯片问世。 运算速度进一步提高,其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域;
 
90 年代 DSP 发展最快,相继出现了第四代和第五代 DSP 芯片。 第五代与第四代相比系统集成度更高,将 DSP 芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。
 
进入 21 世纪后,第六代 DSP 芯片横空出世。第六代芯片在性能上全面碾压第五代芯片,同时基于商业目的的不同发展出了诸多个性化的分支,并开始逐渐拓展新的领域。
 
DSP 芯片的应用领域
DSP 芯片强调数字信号处理的实时性。 DSP 作为数字信号处理器将模拟信号转换成数字信号,用于专用处理器的高速实时处理。 它具有高速,灵活,可编程,低功耗的界面功能,在图形图像处理,语音处理,信号处理等通信领域起到越来越重要的作用。
 
DSP 芯片在市场上的应用情况
 
应用 DSP 的领域较多, 未来新应用领域有望层出不穷。 根据美国的权威资讯公司统计,目前 DSP 芯片在市场上应用最多的是通信领域, 占 56.1%;其次是计算机领域,占 21.16%;消费电子和自动控制占 10.69%;军事/航空占 4.59%;仪器仪表占 3.5%;工业控制占 3.31%;办公自动化占 0.65%。
 
DSP 芯片的应用领域
 
1)DSP 芯片在多媒体通信领域的应用。 
 
媒体数据传输产生的信息量是巨大的,多媒体网络终端在整个过程中需要对获取的信息量进行快速分析和处理,因此 DSP 被运用在语音编码,图像压缩和减少语音通信上。如今 DSP 对于语音解码计算产生实时效果,设计协议要求已经成为最基本的一条国际标准。
 
2)DSP 芯片在工业控制领域的应用。 
 
在工业控制领域, 工业机器人被广泛应用,对机器人控制系统的性能要求也越来越高。机器人控制系统重中之重就是实时性,在完成一个动作的同时会产生较多的数据和计算处理,这里可以采用高性能的 DSP。 DSP 通过应用到机器人的控制系统后,充分利用自身的实时计算速度特性,使得机器人系统可以快速处理问题,随着不断提高 DSP 数字信号芯片速度,在系统中容易构成并行处理网络,大大提高控制系统的性能,使得机器人系统得到更为广泛的发展。
 
3)DSP 芯片在仪器仪表领域的应用。 
 
DSP 丰富的片内资源可以大大简化仪器仪表的硬件电仪路,实现仪器仪表的 SOC 设计。器仪表的测量精度和速度是一项重要的指标,使用 DSP 芯片开发产品可使这两项指标大大提高。例如 TI 公司的 TMS320F2810 具有高效的 32 位 CPU 内核,12 位 A/D 转换器,丰富的片上存储器和灵活的指挥系统,为高精密仪器搭建了广阔的平台。高精密仪器现在已经发展成为 DSP 的一个重要应用,正处于快速传播时期,将推动产业的技术创新。
 
美国德州仪器公司的 TMS320 芯片
 
3)DSP 芯片在汽车安全与无人驾驶领域的应用。 
 
汽车电子系统日益兴旺发达起来,诸如装设红外线和毫米波雷达,将需用 DSP 进行分析。如今,汽车愈来愈多,防冲撞系统已成为研究热点。而且,利用摄像机拍摄的图像数据需要经过 DSP 处理,才能在驾驶系统里显示出来,供驾驶人员参考。
 
4)DSP 芯片在军事领域的应用。 
 
DSP 的功耗低、体积小、实时性反应速度都是武器装备中特别需要的。如机载空空导弹,在有限的体积内装有红外探测仪和相应的 DSP 信号处理器等部分,完成目标的自动锁定与跟踪。先进战斗机上装备的目视瞄准器和步兵个人携带的头盔式微光仪,需用 DSP 技术完成图像的滤波与增强,智能化目标搜索捕获。 DSP 技术还用于自动火炮控制、巡航导弹、预警飞机、相控阵天线等雷达数字信号处理中。

 

 
高端市场被国外公司垄断
目前, 世界上 DSP 芯片制造商主要有 3 家:德州仪器(TI)、 模拟器件公司(ADI)和摩托罗拉(Motorola) 公司,其中 TI 公司独占鳌头, 占据绝大部分的国际市场份额, ADI 和摩托罗拉公司也有一定市场。
 
德州仪器公司(TI) 是 DSP 业界公认的龙头老大, 公司在 1982 年成功推出了其第一代 DSP 芯片 TMS32010,由于 TMS320 系列 DSP 芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点,所以逐渐成为目前最有影响、最为成功的 DSP 系列处理器。 
 
在 TI 公司主打的三个系列中, c2000 系列现在所占市场份额较小,如今 TI 官网上的 DSP 产品主要以 c6000 与 c5000 为主。 TI 的三大主力 DSP 产品系列为 C2000 系列主要用于数字控制系统; C5000(C54x、 C55x)系列主要用于低功耗、便携的无线通信终端产品; C6000 系列主要用于高性能复杂的通信系统。 C5000 系列中的 TMS320C54x 系列 DSP 芯片被广泛应用于通信和个人消费电子领域。
 
C6000 系列主打产品为: C6000 DSP+ARM 处理器(12)——OMAP-L1x (5)、66AK2x (7); C6000 DSP (94)——C674xDSP (5)、 C66x DSP (11)
C5000 系列主打产品为: C55x 超低功耗 DSP,为超低功耗的紧凑型嵌入式产品提供高效的信号处理。
 
TI 公司的 DSP 产品主要应用范围在机器视觉、航空电子和国防、尺寸、重量和功耗(SWAP)、音频、视频编码 / 解码与生物识别领域。
 
TI 公司官网上的主打的四款 DSP 芯片产品
 
目前, ADI 公司有六款主打产品,分别应用在语音处理、图像处理、过程控制、测控与测量等领域。
 
ADI 公司主打 DSP 产品及应用领域
 
摩托罗拉公司也是全球较大的 DSP 芯片生产商,其产品包括定点的和浮点的,专用的和通用的, 16 位和 24 位以及 32 位。 DSP 芯片主要应用于语音处理、通信、数字相机、多媒体、控制等领域。 主打产品有 DSP56000 系列、 DSP56800 系列、DSP56800E 系列、 MSC8100 系列、 DSP56300 系列等。
 
未来 DSP 技术将向以下几个方面继续发展与更新:
 
1)DSP 芯核集成度越来越高。
 
缩小 DSP 芯片尺寸一直是 DSP 技术的发展趋势,当前使用较多的是基于 RISC 结构,随着新工艺技术的引入,越来越多的制造商开始改进 DSP 芯核,并且把多个 DSP 芯核、 MPU 芯核以及外围的电路单元集成在一个芯片上,实现了 DSP 系统级的集成电路。
 
2)可编程 DSP 芯片将是未来主导产品。 
 
随着个性化发展的需要, DSP 的可编程化为生产厂商提供了更多灵活性,满足厂家在同一个 DSP 芯片上开发出更多不同型号特征的系列产品,也使得广大用户对于 DSP 的升级换代。 例如冰箱、洗衣机,这些原来装有微控制器的家电如今已换成可编程 DSP 来进行大功率电机控制。
 
3)定点 DSP 占据主流。
 
目前,市场上所销售的 DSP 器件中,占据主流产品的依然是 16 位的定点可编程 DSP 器件,随着 DSP 定点运算器件成本的不断低,能耗越来越小的优势日渐明显,未来定点 DSP 芯片仍将是市场的主角。
 
FPGA 芯片与 DSP 芯片的相爱相杀
FPGA 即现场可编程门阵列, 它是作为专用集成电路(ASIC) 领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 有了 FPGA 芯片, 可以用程序编一个新发明的 CPU 内核出来,嵌到 FPGA 芯片中去, 并且可以嵌入多个。
 
FPGA 的基本架构
 
国际 FPGA 市场被四大巨头垄断, 分别是赛灵思、阿尔特拉、美高森美以及莱迪思。阿尔特拉和赛灵思是 FPGA 的发明者,其中阿尔特拉于 1983 年发明世界上第一款可编程逻辑器件,赛灵思于 1985 年公司推出的全球第一款 FPGA 产品 XC2064。 根据 2017 年公司财务数据统计,赛灵思营收 23.49 亿美元, 阿尔特拉(被英特尔收购)为 19.02 亿美元,美高森美 FPGA 业务为 4.21 亿美元,莱迪思为 3.86 亿美元。 赛灵思和阿尔特拉两家公司几乎占据了整个国际市场的 90%。
 
2017 年 FPGA 四巨头市场占有率
 
FPGA 芯片与 DSP 芯片是有区别的。 DSP 是专门的微处理器,适用于条件进程,特别是较复杂的多算法任务。 FPGA 包含有大量实现组合逻辑的资源,可以完成较大规模的组合逻辑电路设计,同时还包含有相当数量的触发器,借助这些触发器, FPGA 又能完成复杂的时序逻辑功能。
 
2016 年 FPGA 芯片的应用领域
 
FPGA 芯片与 DSP 芯片是有区别的。 DSP 是专门的微处理器,适用于条件进程,特别是较复杂的多算法任务。 FPGA 包含有大量实现组合逻辑的资源,可以完成较大规模的组合逻辑电路设计,同时还包含有相当数量的触发器,借助这些触发器, FPGA 又能完成复杂的时序逻辑功能。
 
DSP 芯片的通用性相对弱, FPGA 则通用性更强;
 
DSP 具有软件的灵活性, 而 FPGA 具有硬件的高速性;
 
DSP 对较低速的事件串联执行, 但是处理前可能会有些时延, 而 FPGA 不能处理多事件, 因为每个事件都有专用的硬件, 但是采用这种专用硬件实现的每个事件的方式可以使各个事件同时执行; 
 
DSP 是按照指令的顺序流来编程的,而 FPGA 是以框图方式编程的, 这样很容易看数据流。
 
 
FPGA 芯片与 DSP 芯片的比较
 
在既强调结构灵活、 通用性,以及处理复杂算法的需求下,往往将 DSP 和 FPGA 联合起来,采用 DSP+FPGA 结构, 或者将 DSP 模块嵌入的 FPGA 芯片中,这也是未来设计的一种趋势。
 
告别无“芯”之痛, 国产 DSP 获突破
“核高基”重大专项从国家层面大力推动国产高端芯片的研发。 2006 年,国务院颁布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006 年 -2020 年)》,“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”(简称“核高基重大专项”)位列 16 个科技重大专项首位,也被称之为“01 专项”。
 
专项的实施极大地提升了我国集成电路产业的发展速度。 2001~2016 年间,我国集成电路市场规模由 1260 亿元增加至约 12000 亿元,占全球市场份额的将近 60%,产业销售额扩大超过 23 倍,由 188 亿元扩大至 4336 亿元。国内对 DSP 方面的研究起步较晚,但是发展较快。 中电科 14 所承担起研发 DSP 芯片的任务。 
 
10 年磨一剑, 14 所跟龙芯公司、清华大学合作开发国产 DSP 芯片华睿 1 号在 2012 年通过核高基专项组验收。华睿 1 号成功应用于 14 所十多型雷达产品中,创造了国产多核 DSP 芯片产品应用的“三个之最”: 雷达装备应用型号最多、单台套应用数量最多和总应用数量最多。 目前, 华睿 2 号已成功研制出,并已经通过所内测试,并将很快推向市场。 下一步, 14 所计划将在华睿 3 号上采用更为先进的制造工艺,进一步提高主频, 提高通用性能, 在专用性能方面采用流处理器方式,提高专用计算的性能,同时降低功耗。
 
“华睿 1 号”代表国内 DSP 芯片工艺最高水平。 在处理系统设计方面采用了 DSP 和 CPU 多核架构设计技术, 实测表明, “华睿 1 号”的处理能力和能耗具有明显优势,运行多任务实时操作系统十分稳定,芯片的整体技术指标达到或优于国际同类产品水平。华睿 1 号填补了我国在多核 DSP 领域的空白,对提高我国高端芯片的自主研发能力、提升我国电子整机装备研制水平、保障国家信息安全等方面具有重大意义与影响。
 
华睿芯片
 
魂芯 1 号是由中国电子科技集团第 38 所吴曼青团队研制成功的, 2012 年完成测试。 魂芯一号(BWDSP100) 是一款 32 位静态超标量处理器, 属于 DSP 第二发展阶段的产品。该芯片基于 55nm 制作工艺实现的,具有完全自主知识主权。
 
魂芯一号
 
魂芯 1 号达到国际主流 DSP 芯片水平,与美国模拟器件公司(ADI) TS201 芯片新能相近。 TS201 是 ADI 公司的一款主流 DSP 芯片, 它集成了定点和浮点计算功能的高速 DSP。该处理器广泛应用于视频、通信市场和国防军事装备中,适合于大数据量实时处理的应用领域。
 
 
魂芯 1 号与 TS201 特性对比
 
魂芯 1 号是一款高性能通用 DSP,可广泛应用于各类高性能信号处理领域, 典型的整机装备应用包括雷达、声纳、电子对抗等。
 
魂芯 2 号 A 刚刚发布, 单核性能超过当前国际同类芯片性能 4 倍。 2018 年 4 月 23 日, 中国电科 38 所发布了 魂芯 2 号 A, 该芯片采用全自主体系架构,研发历时 6 年, 相对于魂芯 1 号,魂芯 2 号 A 性能提升了 6 倍,通过单核变多核、扩展运算部件、升级指令系统等手段,使器件性能千亿次浮点运算同时,具有相对良好的应用环境和调试手段;单核实现 1024 浮点 FFT (快速傅里叶变换)运算仅需 1.6 微秒,运算效能比德州仪器公司 TMS320C6678 高 3 倍,实际性能为其 1.7 倍,器件数据吞吐率达每秒 240Gb。

 

 
DSP 芯片在民用信息领域市场空间巨大
DSP 芯片支持通信、计算机和消费类电子产品的数字化融合。在无线领域 DSP 遍及无线交换设备、基站和手持终端; 在网络领域, DSP 涵盖从基础设施到宽带入户设备, 包括 IP 网关和 IP 电话和电缆调制解调器等。随着中国数字消费类产品需求的大幅增长,以及 DSP 对数字信号高速运算与同步处理能力的提高, DSP 的应用领域将逐渐从移动电话领域扩展到新型数字消费类领域,从而应用领域横跨 3C,且分布将日趋均衡。
 
DSP 芯片在智能手机中扮演重要角色。 DSP 芯片可以为移动电话带来更好的语音、音频、图像体验,可以极大提升手机单项功能的能力, 让手机运行速度更快。由于 DSP 具有强大的计算能力,使得移动通信的蜂窝电话迅速崛起,并创造了一批诸如 GSM、 CDMA 等全数字蜂窝电话网。同时 DSP 芯片是移动电话等电子产品更新换代的重要决定因素。工信部数据显示, 2017 年,移动电话用户净增 9555 万户,总数达 14.2 亿户,移动电话用户普及率达 102.5 部 / 百人,比上年提高 6.9 部 / 百人, 移动电话需求量的稳步上升将引致 DSP 芯片等集成电路的大量需求。
 
2000~2017 年固定电话、移动电话用户发展情况
 
移动宽带需求量与 DSP 需求量呈正向变动。 基于 DSP 的 ADSL 和 HFC 作为两种最常用的宽带接入技术,同时,基于 DSP 的通用系统可以实现无线接入点通信系统,具有较好的开放性, 配置灵活, 可扩展性强,因此移动宽带需求量与 DSP 需求量呈正向变动。截止 2017 年年底,三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数达 3.49 亿户,全年净增 5133 万户。移动宽带用户(即 3G 和 4G 用户)总数达 11.3 亿户,全年净增 1.91 亿户,占移动电话用户的 79.8%。随着移动宽带的普及推广未来 DSP 市场需求可期。
 
2000~2017 年移动宽带用户 3G、 4G 发展情况
 
IPTV 等数字消费类产品的需求日益扩张,新型数字消费领域 DSP 芯片未来市场需求可期。 基于 DSP+FPGA 的网关实现方案可以将数字电视信号转换为组播信号, 实现有线电视业务与电话语音业务、计算机互联网业务的融合。近年来,国家大力出台扶持政策、加快培育新兴 IPTV、物联网、智慧家庭等业务。 2017 年末, IPTV 用户数达到 1.22 亿户,全年净增 3545 万户。