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媒体聚焦 | 国产厂商,死磕这颗芯片

2024-01-11 来源:原创 浏览量:2197


本文转载自半导体行业观察。



如果说1946 年第一台数字计算机 ENIAC 的诞生标志着数字时代的开始,那么1948 年就可以称为DSP(digital signal processing)的元年。因为在这一年,贝尔实验室的克劳德·香农 (Claude Shannon) 发表了他具有里程碑意义的论文——《通信的数学理论》(A Mathematical Theory of Communication),该论文明确阐述了可实现的比特率、信道带宽和信噪比之间的关系。


可以说,香浓的这篇论文开拓了一个新纪元。但具体到硬件方面,此时距离第一颗DSP芯片面世还有很多年。因为哪怕是最基本的IC,也需要10年后才由TI的Jack Kilby发明。但在后续亮相以后,DSP风靡市场数十年。


专业选手,好于业务选手





所谓DSP,按照维基百科所说,这是一种专用微处理器芯片,其架构针对数字信号处理的操作需求进行了优化。在实际应用中,DSP的目标通常是测量、过滤或压缩连续的真实模拟信号。虽然大多数通用微处理器也可以成功执行数字信号处理算法,但可能无法实时连续地跟上这种处理,这就使得DSP能够一直成为有此类需求应用的首选。

中国首批从事DSP研究的技术专家更是直言,之所以DSP能够在多个领域中先拔头筹,归根到底是因为“专业选手永远好于业务选手”。要了解这句话,就首先要从处理器架构谈起。

当前,虽然最近几年有一个叫做存内计算的架构非常火热,但我们比较熟悉的处理器架构基本都是冯诺依曼架构(von Neumann architecture)和哈佛架构(Harvard architecture)。其中,冯·诺依曼结构的处理器使用同一个存储器,经由同一个总线传输;哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。



具体到DSP方面,根据TI前首席科学家、DSP产品创始人Gene Frantz在2000年发布的一篇名为《Digital signal processor trends》中所说,最初的 DSP 设计也借鉴了早期计算机研究的另一个想法。例如第一个微处理器,就像之前的计算机中央处理单元一样,采用了冯·诺依曼架构,具有单一总线和用于数据和指令的统一地址空间。

然而DSP 设计者抓住了具有独立总线的哈佛架构,但他们以一种新颖的方式使用了这个想法。 除了添加指令总线之外,设计人员还为每个乘法累加操作数提供了单独的总线。 因此,可以在每个周期期间加载数据和指令并执行完整的乘法累加。由于设计人员接受了统一地址空间的价值,因此他们没有将指令与主存储器中的数据分开,尽管后来引入的缓存方案通常将少量数据和代码单独保存在片上存储器中。

从那时起,这种改进的哈佛架构就一直是 DSP 不可或缺的一部分,尽管今天的架构可能包含许多最初的计算机研究人员在他们最疯狂的幻想中无法想象的功能。所以尽管 DSP 在某些方面与 RISC 引擎相似,但它们在其他方面有根本的不同。

总而言之,由于许多数学函数对于在数字领域中转换和操作模拟信号非常有用,因此能够高效执行这些数学函数的机器作为 DSP 将非常有价值。 因此,某些微处理器架构师围绕专用于执行乘法累加功能的硬件设计了处理器,于是DSP 诞生了。

从本质上看,DSP就是为数字运算而设计的。作为一款血统纯正的专用领域处理器,DSP专业能力出色,在适用领域指令执行效率高,功耗低,周边配套外设资源同样专业高效,总体芯片成本竞争力强。得益于这些优势,过去多年里,音频、视频信号处理、通讯、实时控制、运动控制、电机控制、新能源、汽车电子和数字电源等也都成为了DSP的忠实追随者。


群雄争霸,一家独大





在有利可图的地方,必然就有竞争,这是一个亘古不变的道理,这当然也出现在DSP市场上。文章开头的时候我们曾谈到,从数字信号处理到真正的数字信号处理器出现,中间还相差一段非常长的时间。

但不少厂商前赴后继,涌向数字信号处理器的市场。

资料显示,贝尔实验室于1967 年开发了自适应预测编码 (APC:Adaptive Predictive Coding),使得在4.8kbps 比特流中获得相当不错的音频成为可能;英特尔于 1971 年推出了第一款商用微处理器 4004,能够进行乘法和加法,但其相对较弱的ALU 和位宽限制了其发展;TRW 于 1976 年成功创建并销售了一款 16×16 位单芯片数字乘法器MPY016H,不过因为其不能做“加法”,需要额外加一个IC来完成,所以该芯片也不是一个纯真的DSP。


 到了1982 年推出TMS320 DSP等多类型芯片和产品发布之后,我们现在熟悉的数字信号处理器(DSP:Digital Signal Processor)终于正式走向了台前,且历久常新。


从某种程度上看,TMS 320可能真的称不上是首款DSP,因为在此之前,英特尔曾推出了瞄着同样目标的2920 模拟信号处理器和8088 微处理器、AT&T展示了DSP-1;NEC也有μPD7720。在TI之后,也有摩托罗拉、飞利浦、ADI、NXP、Cirrus Logic 和CEVA以及Tesilica等厂商推出相应产品,他们在各自的市场也都有着杰出的表现。

例如ADI公司的虎鲨系列在音频领域拥有领先的地位;CEVA、Tesilica等嵌入式处理器在嵌入式应用领域也有着独到的深刻。其中,TI更是DSP供应商中不得不提的一家企业。得益于其领先的产品设计和有的放矢的投入,TI在过去几十年里几乎以一己之力在带领DSP从业者坚守这片阵地。

尤其是C2000系列,更是成为了DSP领域的一座丰碑。

据相关资料显示,TI第一代C2000的前身可以追溯到他们于1995年开发的一款用于硬盘驱动器的DSP。1997年,TI第一款用于电机控制的16位专用芯片F24x DSP问世,虽然现在看起来产品很简单,只有20MHz主频,带有10位ADC和3相PWM,但该芯片仍然很快在数字电机控制市场上站稳脚跟。后来,TI因应市场需求推出新芯片,投入市场教育,并最终奠定了公司在DSP市场的地位。

在行业资深从业者看来,TI之所以能够在DSP市场统领市场多年,这首先得益于其在产品设计上的领先。还是以C2000系列为例,这系列面世20多年的芯片拥有多方面的优势:

一方面,该系列芯片的内核强大:支持2-4个16*16硬件乘加器,可单周期执行乘加运算;单指令可同时驱动2-3个内核执行部件工作;可扩展支持浮点、三角函数等硬件加速单元;配合强大的编译工具和库函数支持,使得指令执行效率是通用MCU的3倍以上。

另一方面,从芯片的系统架构上看,C2000系列可以称得上是为实时信号处理而生的。它的高精度、高速度数据采集、预先处理能力,IO通道输入信号数字滤波功能,为中断信号实时响应而设计的增强型中断控制系统等硬件外设为内核的强大数字处理提供了高可靠的数据来源。通过片上CLA协处理器执行算法的浮点加速运算可有效降低主核负载,提高系统的响应速度。通过片上CLB和X-BAR的配合使用,使得芯片具备硬件可编程能力,大幅减少外围逻辑器件的使用数量。

除此以外,支持100ps级的高精度eCAP和高精度PWM的系统外设,使得芯片具备实现更加精准的控制能力,在采用新型GaN,SiC功率驱动器件的控制场合发挥出芯片的优异性能。


最后,TI非常重视保持C2000 DSP产品的领先性,通过深挖行业客户的需求痛点,不断推出新产品,也是让TI能够站在今天位置的另一个重要推手。对于TI来说,坚持多年的大学教育合作也是让他们在市场获得认可的关键,这在DSP市场也不例外。

正是因为TI DSP的统治力所带来的可观收入,加上市场带来的机会,全球芯片厂商都盯上了其所瞄准的市场,中国市场的参与者也不例外。


前赴后继,本土厂商死磕





关于谁最先投入到国产DSP的研发中去,笔者尚未考究到。但据相关资料显示,自1985年至今,从国家专用集成电路设计工程技术研究中心开始,就拥有包括中电14所、昆腾微、湖南进芯、江苏宏云、中科本源和中科昊芯等一众厂商源于科研和自主装备的特定功能和性能的定制需求,投入到DSP国产化浪潮中。

虽然经过了一轮又一轮的攻关,但国产DSP在市场上仍然没有得到厂商的广泛认可,巨头依然是那些巨头。在问到为何还会如此的时候,资深DSP研究专家表示:

首先,客观上讲,DSP的应用场景大多数是工业客户,与消费类客户相比,工业客户对产品的可靠性、性能指标的要求明显高于消费类客户,工业市场的准入门槛要高很多,不易进入。


其次,工业产品的生命周期长,导致DSP产品的导入周期相对长,必须做好打持久战的准备,受制于公司治理机构和短期业绩的压力,大多数公司难以坚持下去。第三,工业市场对国产芯片的认知转变需要过程,国产DSP芯片形成品牌和口碑,一样要需要通过市场的考验。


在国产DSP产品走向成熟的过程中,如果发生产品质量批次性问题,或者产品成本过高于对手,或者与MCU跨界竞争中方案缺乏优势的情况,极易导致DSP产品的国产化夭折。

毫无疑问,DSP的国产替代不会是一件很容易的事情。但受到当前国际竞争态势的影响,本土开发者亟需拥有降本优势、供应链安全保证以及能协助打造极高竞争力产品的DSP芯片。也就是说,发展国产DSP是不二选择。

于是,国产厂商继续死磕DSP。以湖南进芯为例,因为产品国产化起早,公司经过工业和汽车用户的大批量使用验证,质量稳定,供应链保障能力强;最近,新产品推出速度加快、性价比高,产品服务及时,从而建立了良好的客户口碑。即使这样,与国外友商的整体实力相比,仍然存在巨大的差距。

除了打造DSP架构外,国产厂商还探索从RISC-V来打破DSP现有的竞争局面。在行业从业者看来,这是一种有益的尝试,不过依然是聚焦在中低端,而且还有大量的软件移植工作要做。如果未来想要其在DSP市场发挥更重要的作用,则需要在RISC-V指令集扩展上做更多的工作。

无法否定的是,经历了多年的探索,国产DSP在替代上也取得了一些成绩。这一方面受惠于我们从低成本市场导入;另一方面得益于我们拥有丰富的IC工程师资源;再者,能灵活地为客户定制产品和服务,也是国产DSP厂商攻坚的一个重要手段;更重要的是,近年来国内在新能源汽车、储能等新行业的主导权,给本土芯片供应商创造了新的国产机会。

但我们远没有到庆祝的时候。因为随着TI等厂商将DSP带入到多核异构时代,替代难度更大。在硬件方面,除了需要内核替代外,还需要在系统架构,外设资源匹配方面做大量兼容性设计;软件方面,则需要在软件兼容性上需要投入大量精力,才能达到基本兼容的目标。

至于未来,DSP会从技术、产品和市场这三个方面持续演进。从技术层面看,DSP会不断扩散、边界消失、无处不在;从产品角度看,DSP会不断演进,推陈出新,融入AI、FPGA GPU等技术到DSP产品中;从市场方面看,在中高端嵌入式应用场合或特定领域,因其芯片的专业性能, DSP会维持和扩展市场份额。

由此可见,DSP的“国产化”也需要随着时间而做出改变。国产化是短期的,本土化才是长期的,对DSP芯片的关注点会将从很快从国产化替代向更高性能的DSP inside的客户定制SOC芯片发展。

在2012年,TI DSP面世三十周年之际,Gene Frantz在IEEE发布的一篇文章中说:“也许有人会觉得DSP作为一个产品,从一文不值到创造每年数十亿美元的价值之后又销声匿迹很奇怪。但是这确实是一个好消息的开始。因为它并没有销声匿迹,只是融入到了每一部数字处理系统中而已。”他同时指出:“永远都会有新的吸引人的信号出现,永远都会有处理信号的需求。”

“DSP技术为世界带来的改变来看,我们现在还仅仅是享受到皮毛而已。”Gene Frantz在当时如是说。在笔者看来,这句话放在当下,也是适用。

换而言之,国产DSP大有可为。


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