本文轉(zhuǎn)載自半導(dǎo)體行業(yè)觀察。
如果說(shuō)1946 年第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī) ENIAC 的誕生標(biāo)志著數(shù)字時(shí)代的開(kāi)始，那么1948 年就可以稱為DSP（digital signal processing）的元年。因?yàn)樵谶@一年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的克勞德·香農(nóng) (Claude Shannon) 發(fā)表了他具有里程碑意義的論文——《通信的數(shù)學(xué)理論》（A Mathematical Theory of Communication），該論文明確闡述了可實(shí)現(xiàn)的比特率、信道帶寬和信噪比之間的關(guān)系。
可以說(shuō)，香濃的這篇論文開(kāi)拓了一個(gè)新紀(jì)元。但具體到硬件方面，此時(shí)距離第一顆DSP芯片面世還有很多年。因?yàn)槟呐率亲罨镜腎C，也需要10年后才由TI的Jack Kilby發(fā)明。但在后續(xù)亮相以后，DSP風(fēng)靡市場(chǎng)數(shù)十年。
專業(yè)選手，好于業(yè)務(wù)選手
所謂DSP，按照維基百科所說(shuō)，這是一種專用微處理器芯片，其架構(gòu)針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的操作需求進(jìn)行了優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用中，DSP的目標(biāo)通常是測(cè)量、過(guò)濾或壓縮連續(xù)的真實(shí)模擬信號(hào)。雖然大多數(shù)通用微處理器也可以成功執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理算法，但可能無(wú)法實(shí)時(shí)連續(xù)地跟上這種處理，這就使得DSP能夠一直成為有此類需求應(yīng)用的首選。
中國(guó)首批從事DSP研究的技術(shù)專家更是直言，之所以DSP能夠在多個(gè)領(lǐng)域中先拔頭籌，歸根到底是因?yàn)椤皩I(yè)選手永遠(yuǎn)好于業(yè)務(wù)選手”。要了解這句話，就首先要從處理器架構(gòu)談起。
當(dāng)前，雖然最近幾年有一個(gè)叫做存內(nèi)計(jì)算的架構(gòu)非?；馃?，但我們比較熟悉的處理器架構(gòu)基本都是馮諾依曼架構(gòu)（von Neumann architecture）和哈佛架構(gòu)（Harvard architecture）。其中，馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的處理器使用同一個(gè)存儲(chǔ)器，經(jīng)由同一個(gè)總線傳輸；哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。
具體到DSP方面，根據(jù)TI前首席科學(xué)家、DSP產(chǎn)品創(chuàng)始人Gene Frantz在2000年發(fā)布的一篇名為《Digital signal processor trends》中所說(shuō)，最初的 DSP 設(shè)計(jì)也借鑒了早期計(jì)算機(jī)研究的另一個(gè)想法。例如第一個(gè)微處理器，就像之前的計(jì)算機(jī)中央處理單元一樣，采用了馮·諾依曼架構(gòu)，具有單一總線和用于數(shù)據(jù)和指令的統(tǒng)一地址空間。
然而DSP 設(shè)計(jì)者抓住了具有獨(dú)立總線的哈佛架構(gòu)，但他們以一種新穎的方式使用了這個(gè)想法。 除了添加指令總線之外，設(shè)計(jì)人員還為每個(gè)乘法累加操作數(shù)提供了單獨(dú)的總線。 因此，可以在每個(gè)周期期間加載數(shù)據(jù)和指令并執(zhí)行完整的乘法累加。由于設(shè)計(jì)人員接受了統(tǒng)一地址空間的價(jià)值，因此他們沒(méi)有將指令與主存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)分開(kāi)，盡管后來(lái)引入的緩存方案通常將少量數(shù)據(jù)和代碼單獨(dú)保存在片上存儲(chǔ)器中。
從那時(shí)起，這種改進(jìn)的哈佛架構(gòu)就一直是 DSP 不可或缺的一部分，盡管今天的架構(gòu)可能包含許多最初的計(jì)算機(jī)研究人員在他們最瘋狂的幻想中無(wú)法想象的功能。所以盡管 DSP 在某些方面與 RISC 引擎相似，但它們?cè)谄渌矫嬗懈镜牟煌?br style="box-sizing:border-box;" />
總而言之，由于許多數(shù)學(xué)函數(shù)對(duì)于在數(shù)字領(lǐng)域中轉(zhuǎn)換和操作模擬信號(hào)非常有用，因此能夠高效執(zhí)行這些數(shù)學(xué)函數(shù)的機(jī)器作為 DSP 將非常有價(jià)值。 因此，某些微處理器架構(gòu)師圍繞專用于執(zhí)行乘法累加功能的硬件設(shè)計(jì)了處理器，于是DSP 誕生了。
從本質(zhì)上看，DSP就是為數(shù)字運(yùn)算而設(shè)計(jì)的。作為一款血統(tǒng)純正的專用領(lǐng)域處理器，DSP專業(yè)能力出色，在適用領(lǐng)域指令執(zhí)行效率高，功耗低，周邊配套外設(shè)資源同樣專業(yè)高效，總體芯片成本競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。得益于這些優(yōu)勢(shì)，過(guò)去多年里，音頻、視頻信號(hào)處理、通訊、實(shí)時(shí)控制、運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)控制、新能源、汽車(chē)電子和數(shù)字電源等也都成為了DSP的忠實(shí)追隨者。
群雄爭(zhēng)霸，一家獨(dú)大
在有利可圖的地方，必然就有競(jìng)爭(zhēng)，這是一個(gè)亙古不變的道理，這當(dāng)然也出現(xiàn)在DSP市場(chǎng)上。文章開(kāi)頭的時(shí)候我們?cè)劦剑瑥臄?shù)字信號(hào)處理到真正的數(shù)字信號(hào)處理器出現(xiàn)，中間還相差一段非常長(zhǎng)的時(shí)間。
但不少?gòu)S商前赴后繼，涌向數(shù)字信號(hào)處理器的市場(chǎng)。
資料顯示，貝爾實(shí)驗(yàn)室于1967 年開(kāi)發(fā)了自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼 (APC：Adaptive Predictive Coding)，使得在4.8kbps 比特流中獲得相當(dāng)不錯(cuò)的音頻成為可能；英特爾于 1971 年推出了第一款商用微處理器 4004，能夠進(jìn)行乘法和加法，但其相對(duì)較弱的ALU 和位寬限制了其發(fā)展；TRW 于 1976 年成功創(chuàng)建并銷售了一款 16×16 位單芯片數(shù)字乘法器MPY016H，不過(guò)因?yàn)槠洳荒茏觥凹臃ā保枰~外加一個(gè)IC來(lái)完成，所以該芯片也不是一個(gè)純真的DSP。
到了1982 年推出TMS320 DSP等多類型芯片和產(chǎn)品發(fā)布之后，我們現(xiàn)在熟悉的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP：Digital Signal Processor）終于正式走向了臺(tái)前，且歷久常新。
從某種程度上看，TMS 320可能真的稱不上是首款DSP，因?yàn)樵诖酥?，英特爾曾推出了瞄著同樣目?biāo)的2920 模擬信號(hào)處理器和8088 微處理器、AT&T展示了DSP-1；NEC也有μPD7720。在TI之后，也有摩托羅拉、飛利浦、ADI、NXP、Cirrus Logic 和CEVA以及Tesilica等廠商推出相應(yīng)產(chǎn)品，他們?cè)诟髯缘氖袌?chǎng)也都有著杰出的表現(xiàn)。
例如ADI公司的虎鯊系列在音頻領(lǐng)域擁有領(lǐng)先的地位；CEVA、Tesilica等嵌入式處理器在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域也有著獨(dú)到的深刻。其中，TI更是DSP供應(yīng)商中不得不提的一家企業(yè)。得益于其領(lǐng)先的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和有的放矢的投入，TI在過(guò)去幾十年里幾乎以一己之力在帶領(lǐng)DSP從業(yè)者堅(jiān)守這片陣地。
尤其是C2000系列，更是成為了DSP領(lǐng)域的一座豐碑。
據(jù)相關(guān)資料顯示，TI第一代C2000的前身可以追溯到他們于1995年開(kāi)發(fā)的一款用于硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的DSP。1997年，TI第一款用于電機(jī)控制的16位專用芯片F(xiàn)24x DSP問(wèn)世，雖然現(xiàn)在看起來(lái)產(chǎn)品很簡(jiǎn)單，只有20MHz主頻，帶有10位ADC和3相PWM，但該芯片仍然很快在數(shù)字電機(jī)控制市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟。后來(lái)，TI因應(yīng)市場(chǎng)需求推出新芯片，投入市場(chǎng)教育，并最終奠定了公司在DSP市場(chǎng)的地位。
在行業(yè)資深從業(yè)者看來(lái)，TI之所以能夠在DSP市場(chǎng)統(tǒng)領(lǐng)市場(chǎng)多年，這首先得益于其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的領(lǐng)先。還是以C2000系列為例，這系列面世20多年的芯片擁有多方面的優(yōu)勢(shì)：
一方面，該系列芯片的內(nèi)核強(qiáng)大：支持2-4個(gè)16*16硬件乘加器，可單周期執(zhí)行乘加運(yùn)算；單指令可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2-3個(gè)內(nèi)核執(zhí)行部件工作；可擴(kuò)展支持浮點(diǎn)、三角函數(shù)等硬件加速單元；配合強(qiáng)大的編譯工具和庫(kù)函數(shù)支持，使得指令執(zhí)行效率是通用MCU的3倍以上。
另一方面，從芯片的系統(tǒng)架構(gòu)上看，C2000系列可以稱得上是為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而生的。它的高精度、高速度數(shù)據(jù)采集、預(yù)先處理能力，IO通道輸入信號(hào)數(shù)字濾波功能，為中斷信號(hào)實(shí)時(shí)響應(yīng)而設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型中斷控制系統(tǒng)等硬件外設(shè)為內(nèi)核的強(qiáng)大數(shù)字處理提供了高可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。通過(guò)片上CLA協(xié)處理器執(zhí)行算法的浮點(diǎn)加速運(yùn)算可有效降低主核負(fù)載，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。通過(guò)片上CLB和X-BAR的配合使用，使得芯片具備硬件可編程能力，大幅減少外圍邏輯器件的使用數(shù)量。
除此以外，支持100ps級(jí)的高精度eCAP和高精度PWM的系統(tǒng)外設(shè)，使得芯片具備實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的控制能力，在采用新型GaN，SiC功率驅(qū)動(dòng)器件的控制場(chǎng)合發(fā)揮出芯片的優(yōu)異性能。
最后，TI非常重視保持C2000 DSP產(chǎn)品的領(lǐng)先性，通過(guò)深挖行業(yè)客戶的需求痛點(diǎn)，不斷推出新產(chǎn)品，也是讓TI能夠站在今天位置的另一個(gè)重要推手。對(duì)于TI來(lái)說(shuō)，堅(jiān)持多年的大學(xué)教育合作也是讓他們?cè)谑袌?chǎng)獲得認(rèn)可的關(guān)鍵，這在DSP市場(chǎng)也不例外。
正是因?yàn)門(mén)I DSP的統(tǒng)治力所帶來(lái)的可觀收入，加上市場(chǎng)帶來(lái)的機(jī)會(huì)，全球芯片廠商都盯上了其所瞄準(zhǔn)的市場(chǎng)，中國(guó)市場(chǎng)的參與者也不例外。
前赴后繼，本土廠商死磕
關(guān)于誰(shuí)最先投入到國(guó)產(chǎn)DSP的研發(fā)中去，筆者尚未考究到。但據(jù)相關(guān)資料顯示，自1985年至今，從國(guó)家專用集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心開(kāi)始，就擁有包括中電14所、昆騰微、湖南進(jìn)芯、江蘇宏云、中科本源和中科昊芯等一眾廠商源于科研和自主裝備的特定功能和性能的定制需求，投入到DSP國(guó)產(chǎn)化浪潮中。
雖然經(jīng)過(guò)了一輪又一輪的攻關(guān)，但國(guó)產(chǎn)DSP在市場(chǎng)上仍然沒(méi)有得到廠商的廣泛認(rèn)可，巨頭依然是那些巨頭。在問(wèn)到為何還會(huì)如此的時(shí)候，資深DSP研究專家表示：
首先，客觀上講，DSP的應(yīng)用場(chǎng)景大多數(shù)是工業(yè)客戶，與消費(fèi)類客戶相比，工業(yè)客戶對(duì)產(chǎn)品的可靠性、性能指標(biāo)的要求明顯高于消費(fèi)類客戶，工業(yè)市場(chǎng)的準(zhǔn)入門(mén)檻要高很多，不易進(jìn)入。
其次，工業(yè)產(chǎn)品的生命周期長(zhǎng)，導(dǎo)致DSP產(chǎn)品的導(dǎo)入周期相對(duì)長(zhǎng)，必須做好打持久戰(zhàn)的準(zhǔn)備，受制于公司治理機(jī)構(gòu)和短期業(yè)績(jī)的壓力，大多數(shù)公司難以堅(jiān)持下去。第三，工業(yè)市場(chǎng)對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片的認(rèn)知轉(zhuǎn)變需要過(guò)程，國(guó)產(chǎn)DSP芯片形成品牌和口碑，一樣要需要通過(guò)市場(chǎng)的考驗(yàn)。
在國(guó)產(chǎn)DSP產(chǎn)品走向成熟的過(guò)程中，如果發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量批次性問(wèn)題，或者產(chǎn)品成本過(guò)高于對(duì)手，或者與MCU跨界競(jìng)爭(zhēng)中方案缺乏優(yōu)勢(shì)的情況，極易導(dǎo)致DSP產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化夭折。
毫無(wú)疑問(wèn)，DSP的國(guó)產(chǎn)替代不會(huì)是一件很容易的事情。但受到當(dāng)前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的影響，本土開(kāi)發(fā)者亟需擁有降本優(yōu)勢(shì)、供應(yīng)鏈安全保證以及能協(xié)助打造極高競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)品的DSP芯片。也就是說(shuō)，發(fā)展國(guó)產(chǎn)DSP是不二選擇。
于是，國(guó)產(chǎn)廠商繼續(xù)死磕DSP。以湖南進(jìn)芯為例，因?yàn)楫a(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化起早，公司經(jīng)過(guò)工業(yè)和汽車(chē)用戶的大批量使用驗(yàn)證，質(zhì)量穩(wěn)定，供應(yīng)鏈保障能力強(qiáng)；最近，新產(chǎn)品推出速度加快、性價(jià)比高，產(chǎn)品服務(wù)及時(shí)，從而建立了良好的客戶口碑。即使這樣，與國(guó)外友商的整體實(shí)力相比，仍然存在巨大的差距。
除了打造DSP架構(gòu)外，國(guó)產(chǎn)廠商還探索從RISC-V來(lái)打破DSP現(xiàn)有的競(jìng)爭(zhēng)局面。在行業(yè)從業(yè)者看來(lái)，這是一種有益的嘗試，不過(guò)依然是聚焦在中低端，而且還有大量的軟件移植工作要做。如果未來(lái)想要其在DSP市場(chǎng)發(fā)揮更重要的作用，則需要在RISC-V指令集擴(kuò)展上做更多的工作。
無(wú)法否定的是，經(jīng)歷了多年的探索，國(guó)產(chǎn)DSP在替代上也取得了一些成績(jī)。這一方面受惠于我們從低成本市場(chǎng)導(dǎo)入；另一方面得益于我們擁有豐富的IC工程師資源；再者，能靈活地為客戶定制產(chǎn)品和服務(wù)，也是國(guó)產(chǎn)DSP廠商攻堅(jiān)的一個(gè)重要手段；更重要的是，近年來(lái)國(guó)內(nèi)在新能源汽車(chē)、儲(chǔ)能等新行業(yè)的主導(dǎo)權(quán)，給本土芯片供應(yīng)商創(chuàng)造了新的國(guó)產(chǎn)機(jī)會(huì)。
但我們遠(yuǎn)沒(méi)有到慶祝的時(shí)候。因?yàn)殡S著TI等廠商將DSP帶入到多核異構(gòu)時(shí)代，替代難度更大。在硬件方面，除了需要內(nèi)核替代外，還需要在系統(tǒng)架構(gòu)，外設(shè)資源匹配方面做大量兼容性設(shè)計(jì)；軟件方面，則需要在軟件兼容性上需要投入大量精力，才能達(dá)到基本兼容的目標(biāo)。
至于未來(lái)，DSP會(huì)從技術(shù)、產(chǎn)品和市場(chǎng)這三個(gè)方面持續(xù)演進(jìn)。從技術(shù)層面看，DSP會(huì)不斷擴(kuò)散、邊界消失、無(wú)處不在；從產(chǎn)品角度看，DSP會(huì)不斷演進(jìn)，推陳出新，融入AI、FPGA GPU等技術(shù)到DSP產(chǎn)品中；從市場(chǎng)方面看，在中高端嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合或特定領(lǐng)域，因其芯片的專業(yè)性能， DSP會(huì)維持和擴(kuò)展市場(chǎng)份額。
由此可見(jiàn)，DSP的“國(guó)產(chǎn)化”也需要隨著時(shí)間而做出改變。國(guó)產(chǎn)化是短期的，本土化才是長(zhǎng)期的，對(duì)DSP芯片的關(guān)注點(diǎn)會(huì)將從很快從國(guó)產(chǎn)化替代向更高性能的DSP inside的客戶定制SOC芯片發(fā)展。
在2012年，TI DSP面世三十周年之際，Gene Frantz在IEEE發(fā)布的一篇文章中說(shuō)：“也許有人會(huì)覺(jué)得DSP作為一個(gè)產(chǎn)品，從一文不值到創(chuàng)造每年數(shù)十億美元的價(jià)值之后又銷聲匿跡很奇怪。但是這確實(shí)是一個(gè)好消息的開(kāi)始。因?yàn)樗](méi)有銷聲匿跡，只是融入到了每一部數(shù)字處理系統(tǒng)中而已。”他同時(shí)指出：“永遠(yuǎn)都會(huì)有新的吸引人的信號(hào)出現(xiàn)，永遠(yuǎn)都會(huì)有處理信號(hào)的需求。”
“DSP技術(shù)為世界帶來(lái)的改變來(lái)看，我們現(xiàn)在還僅僅是享受到皮毛而已。”Gene Frantz在當(dāng)時(shí)如是說(shuō)。在筆者看來(lái)，這句話放在當(dāng)下，也是適用。
換而言之，國(guó)產(chǎn)DSP大有可為。
