本文轉(zhuǎn)載自半導(dǎo)體行業(yè)觀察。
如果說1946 年第一臺數(shù)字計算機(jī) ENIAC 的誕生標(biāo)志著數(shù)字時代的開始，那么1948 年就可以稱為DSP（digital signal processing）的元年。因為在這一年，貝爾實驗室的克勞德·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現(xiàn)的比特率、信道帶寬和信噪比之間的關(guān)系。
可以說，香濃的這篇論文開拓了一個新紀(jì)元。但具體到硬件方面，此時距離第一顆DSP芯片面世還有很多年。因為哪怕是最基本的IC，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，這是一種專用微處理器芯片，其架構(gòu)針對數(shù)字信號處理的操作需求進(jìn)行了優(yōu)化。在實際應(yīng)用中，DSP的目標(biāo)通常是測量、過濾或壓縮連續(xù)的真實模擬信號。雖然大多數(shù)通用微處理器也可以成功執(zhí)行數(shù)字信號處理算法，但可能無法實時連續(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能夠在多個領(lǐng)域中先拔頭籌，歸根到底是因為“專業(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叫做存內(nèi)計算的架構(gòu)非常火熱，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存儲器，經(jīng)由同一個總線傳輸；哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(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，最初的 DSP 設(shè)計也借鑒了早期計算機(jī)研究的另一個想法。例如第一個微處理器，就像之前的計算機(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)計者抓住了具有獨立總線的哈佛架構(gòu)，但他們以一種新穎的方式使用了這個想法。 除了添加指令總線之外，設(shè)計人員還為每個乘法累加操作數(shù)提供了單獨的總線。 因此，可以在每個周期期間加載數(shù)據(jù)和指令并執(zhí)行完整的乘法累加。由于設(shè)計人員接受了統(tǒng)一地址空間的價值，因此他們沒有將指令與主存儲器中的數(shù)據(jù)分開，盡管后來引入的緩存方案通常將少量數(shù)據(jù)和代碼單獨保存在片上存儲器中。
從那時起，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算機(jī)研究人員在他們最瘋狂的幻想中無法想象的功能。所以盡管 DSP 在某些方面與 RISC 引擎相似，但它們在其他方面有根本的不同。
總而言之，由于許多數(shù)學(xué)函數(shù)對于在數(shù)字領(lǐng)域中轉(zhuǎn)換和操作模擬信號非常有用，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)計了處理器，于是DSP 誕生了。
從本質(zhì)上看，DSP就是為數(shù)字運算而設(shè)計的。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，總體芯片成本競爭力強(qiáng)。得益于這些優(yōu)勢，過去多年里，音頻、視頻信號處理、通訊、實時控制、運動控制、電機(jī)控制、新能源、汽車電子和數(shù)字電源等也都成為了DSP的忠實追隨者。
群雄爭霸，一家獨大
在有利可圖的地方，必然就有競爭，這是一個亙古不變的道理，這當(dāng)然也出現(xiàn)在DSP市場上。文章開頭的時候我們曾談到，從數(shù)字信號處理到真正的數(shù)字信號處理器出現(xiàn)，中間還相差一段非常長的時間。
但不少廠商前赴后繼，涌向數(shù)字信號處理器的市場。
資料顯示，貝爾實驗室于1967 年開發(fā)了自適應(yīng)預(yù)測編碼 (APC：Adaptive Predictive Coding)，使得在4.8kbps 比特流中獲得相當(dāng)不錯的音頻成為可能；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，不過因為其不能做“加法”，需要額外加一個IC來完成，所以該芯片也不是一個純真的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)字信號處理器（DSP：Digital Signal Processor）終于正式走向了臺前，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，因為在此之前，英特爾曾推出了瞄著同樣目標(biāo)的2920 模擬信號處理器和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，他們在各自的市場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)計和有的放矢的投入，TI在過去幾十年里幾乎以一己之力在帶領(lǐng)DSP從業(yè)者堅守這片陣地。
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年開發(fā)的一款用于硬盤驅(qū)動器的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問世，雖然現(xiàn)在看起來產(chǎn)品很簡單，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)控制市場上站穩(wěn)腳跟。后來，TI因應(yīng)市場需求推出新芯片，投入市場教育，并最終奠定了公司在DSP市場的地位。
在行業(yè)資深從業(yè)者看來，TI之所以能夠在DSP市場統(tǒng)領(lǐng)市場多年，這首先得益于其在產(chǎn)品設(shè)計上的領(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：
一方面，該系列芯片的內(nèi)核強(qiáng)大：支持2-4個16*16硬件乘加器，可單周期執(zhí)行乘加運算；單指令可同時驅(qū)動2-3個內(nèi)核執(zhí)行部件工作；可擴(kuò)展支持浮點、三角函數(shù)等硬件加速單元；配合強(qiáng)大的編譯工具和庫函數(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時信號處理而生的。它的高精度、高速度數(shù)據(jù)采集、預(yù)先處理能力，IO通道輸入信號數(shù)字濾波功能，為中斷信號實時響應(yīng)而設(shè)計的增強(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)來源。通過片上CLA協(xié)處理器執(zhí)行算法的浮點加速運算可有效降低主核負(fù)載，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。通過片上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級的高精度eCAP和高精度PWM的系統(tǒng)外設(shè)，使得芯片具備實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的控制能力，在采用新型GaN，SiC功率驅(qū)動器件的控制場合發(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，通過深挖行業(yè)客戶的需求痛點，不斷推出新產(chǎn)品，也是讓TI能夠站在今天位置的另一個重要推手。對于TI來說，堅持多年的大學(xué)教育合作也是讓他們在市場獲得認(rèn)可的關(guān)鍵，這在DSP市場也不例外。
正是因為TI DSP的統(tǒng)治力所帶來的可觀收入，加上市場帶來的機(jī)會，全球芯片廠商都盯上了其所瞄準(zhǔn)的市場，中國市場的參與者也不例外。
前赴后繼，本土廠商死磕
關(guān)于誰最先投入到國產(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，從國家專用集成電路設(shè)計工程技術(shù)研究中心開始，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國產(chǎn)化浪潮中。
雖然經(jīng)過了一輪又一輪的攻關(guān)，但國產(chǎn)DSP在市場上仍然沒有得到廠商的廣泛認(rèn)可，巨頭依然是那些巨頭。在問到為何還會如此的時候，資深DSP研究專家表示：
首先，客觀上講，DSP的應(yīng)用場景大多數(shù)是工業(yè)客戶，與消費類客戶相比，工業(yè)客戶對產(chǎn)品的可靠性、性能指標(biāo)的要求明顯高于消費類客戶，工業(yè)市場的準(zhǔn)入門檻要高很多，不易進(jìn)入。
其次，工業(yè)產(chǎn)品的生命周期長，導(dǎo)致DSP產(chǎn)品的導(dǎo)入周期相對長，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)績的壓力，大多數(shù)公司難以堅持下去。第三，工業(yè)市場對國產(chǎn)芯片的認(rèn)知轉(zhuǎn)變需要過程，國產(chǎn)DSP芯片形成品牌和口碑，一樣要需要通過市場的考驗。
在國產(chǎn)DSP產(chǎn)品走向成熟的過程中，如果發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量批次性問題，或者產(chǎn)品成本過高于對手，或者與MCU跨界競爭中方案缺乏優(yōu)勢的情況，極易導(dǎo)致DSP產(chǎn)品的國產(chǎn)化夭折。
毫無疑問，DSP的國產(chǎn)替代不會是一件很容易的事情。但受到當(dāng)前國際競爭態(tài)勢的影響，本土開發(fā)者亟需擁有降本優(yōu)勢、供應(yīng)鏈安全保證以及能協(xié)助打造極高競爭力產(chǎn)品的DSP芯片。也就是說，發(fā)展國產(chǎn)DSP是不二選擇。
于是，國產(chǎn)廠商繼續(xù)死磕DSP。以湖南進(jìn)芯為例，因為產(chǎn)品國產(chǎn)化起早，公司經(jīng)過工業(yè)和汽車用戶的大批量使用驗證，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、性價比高，產(chǎn)品服務(wù)及時，從而建立了良好的客戶口碑。即使這樣，與國外友商的整體實力相比，仍然存在巨大的差距。
除了打造DSP架構(gòu)外，國產(chǎn)廠商還探索從RISC-V來打破DSP現(xiàn)有的競爭局面。在行業(yè)從業(yè)者看來，這是一種有益的嘗試，不過依然是聚焦在中低端，而且還有大量的軟件移植工作要做。如果未來想要其在DSP市場發(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。
無法否定的是，經(jīng)歷了多年的探索，國產(chǎn)DSP在替代上也取得了一些成績。這一方面受惠于我們從低成本市場導(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)，也是國產(chǎn)DSP廠商攻堅的一個重要手段；更重要的是，近年來國內(nèi)在新能源汽車、儲能等新行業(yè)的主導(dǎo)權(quán)，給本土芯片供應(yīng)商創(chuàng)造了新的國產(chǎn)機(jī)會。
但我們遠(yuǎn)沒有到慶祝的時候。因為隨著TI等廠商將DSP帶入到多核異構(gòu)時代，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；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，DSP會從技術(shù)、產(chǎn)品和市場這三個方面持續(xù)演進(jìn)。從技術(shù)層面看，DSP會不斷擴(kuò)散、邊界消失、無處不在；從產(chǎn)品角度看，DSP會不斷演進(jìn)，推陳出新，融入AI、FPGA GPU等技術(shù)到DSP產(chǎn)品中；從市場方面看，在中高端嵌入式應(yīng)用場合或特定領(lǐng)域，因其芯片的專業(yè)性能， DSP會維持和擴(kuò)展市場份額。
由此可見，DSP的“國產(chǎn)化”也需要隨著時間而做出改變。國產(chǎn)化是短期的，本土化才是長期的，對DSP芯片的關(guān)注點會將從很快從國產(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：“也許有人會覺得DSP作為一個產(chǎn)品，從一文不值到創(chuàng)造每年數(shù)十億美元的價值之后又銷聲匿跡很奇怪。但是這確實是一個好消息的開始。因為它并沒有銷聲匿跡，只是融入到了每一部數(shù)字處理系統(tǒng)中而已?！彼瑫r指出：“永遠(yuǎn)都會有新的吸引人的信號出現(xiàn)，永遠(yuǎn)都會有處理信號的需求。”
“DSP技術(shù)為世界帶來的改變來看，我們現(xiàn)在還僅僅是享受到皮毛而已?！盙ene Frantz在當(dāng)時如是說。在筆者看來，這句話放在當(dāng)下，也是適用。
換而言之，國產(chǎn)DSP大有可為。
