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媒體聚焦 | 國產廠商，死磕這顆芯片
本文轉載自半導體行業觀察。
如果說1946 年數字計算機 ENIAC 的誕生標志著數字時代的開始，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 (Claude Shannon) 發表了他具有里程碑意義的論文——《通信的數學理論》（A Mathematical Theory of Communication），該論文明確闡述了可實現的比特率、信道帶寬和信噪比之間的關系。
可以說，香濃的這篇論文開拓了一個新紀元。但具體到硬件方面，此時距離DSP芯片面世還有很多年。因為哪怕是基本的IC，也需要10年后才由TI的Jack Kilby發明。但在后續亮相以后，DSP風靡市場數十年。
專業選手，好于業務選手
所謂DSP，按照維基百科所說，這是一種專用微處理器芯片，其架構針對數字信號處理的操作需求進行了優化。在實際應用中，DSP的目標通常是測量、過濾或壓縮連續的真實模擬信號。雖然大多數通用微處理器也可以成功執行數字信號處理算法，但可能無法實時連續地跟上這種處理，這就使得DSP能夠一直成為有此類需求應用的選擇。
中國首批從事DSP研究的技術專家更是直言，之所以DSP能夠在多個領域中先拔頭籌，歸根到底是因為“專業選手永遠好于業務選手”。要了解這句話，就首先要從處理器架構談起。
當前，雖然近幾年有一個叫做存內計算的架構非常火熱，但我們比較熟悉的處理器架構基本都是馮諾依曼架構（von Neumann architecture）和哈佛架構（Harvard architecture）。其中，馮·諾依曼結構的處理器使用同一個存儲器，經由同一個總線傳輸；哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構。
具體到DSP方面，根據TI前首席科學家、DSP產品創始人Gene Frantz在2000年發布的一篇名為《Digital signal processor trends》中所說，DSP 設計也借鑒了早期計算機研究的另一個想法。例如微處理器，就像之前的計算機中央處理單元一樣，采用了馮·諾依曼架構，具有單一總線和用于數據和指令的統一地址空間。
然而DSP 設計者抓住了具有獨立總線的哈佛架構，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，設計人員還為每個乘法累加操作數提供了單獨的總線。 因此，可以在每個周期期間加載數據和指令并執行完整的乘法累加。由于設計人員接受了統一地址空間的價值，因此他們沒有將指令與主存儲器中的數據分開，盡管后來引入的緩存方案通常將少量數據和代碼單獨保存在片上存儲器中。
從那時起，這種改進的哈佛架構就一直是 DSP 不可或缺的一部分，盡管今天的架構可能包含許多計算機研究人員在他們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，由于許多數學函數對于在數字領域中轉換和操作模擬信號非常有用，因此能夠執行這些數學函數的機器作為 DSP 將非常有價值。 因此，某些微處理器架構師圍繞專用于執行乘法累加功能的硬件設計了處理器，于是DSP 誕生了。
從本質上看，DSP就是為數字運算而設計的。作為一款血統純正的專用領域處理器，DSP專業能力出色，在適用領域指令執行效率高，功耗低，周邊配套外設資源同樣專業有效，總體芯片成本競爭力強。得益于這些優勢，過去多年里，音頻、視頻信號處理、通訊、實時控制、運動控制、電機控制、新能源、汽車電子和數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，這當然也出現在DSP市場上。文章開頭的時候我們曾談到，從數字信號處理到真正的數字信號處理器出現，中間還相差一段非常長的時間。
但不少廠商前赴后繼，涌向數字信號處理器的市場。
資料顯示，貝爾實驗室于1967 年開發了自適應預測編碼 (APC：Adaptive Predictive Coding)，使得在4.8kbps 比特流中獲得相當不錯的音頻成為可能；英特爾于 1971 年推出了一款商用微處理器 4004，能夠進行乘法和加法，但其相對較弱的ALU 和位寬限制了其發展；TRW 于 1976 年成功創建并銷售了一款 16×16 位單芯片數字乘法器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等多類型芯片和產品發布之后，我們現在熟悉的數字信號處理器（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DSP，因為在此之前，英特爾曾推出了瞄著同樣目標的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等廠商推出相應產品，他們在各自的市場也都有著杰出的表現。
例如ADI公司的虎鯊系列在音頻領域擁有一席地位；CEVA、Tesilica等嵌入式處理器在嵌入式應用領域也有著獨到的深刻。其中，TI更是DSP供應商中不得不提的一家企業。得益于其產品設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DSP從業者堅守這片陣地。
尤其是C2000系列，更是成為了DSP領域的一座豐碑。
據相關資料顯示，TI一代C2000的前身可以追溯到他們于1995年開發的一款用于硬盤驅動器的DSP。1997年，TI一款用于電機控制的16位專用芯片F24x DSP問世，雖然現在看起來產品很簡單，只有20MHz主頻，帶有10位ADC和3相PWM，但該芯片仍然很快在數字電機控制市場上站穩腳跟。后來，TI因應市場需求推出新芯片，投入市場教育，并奠定了公司在DSP市場的地位。
在行業資深從業者看來，TI之所以能夠在DSP市場統領市場多年，這首先得益于其在產品設計上的突出。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勢：
一方面，該系列芯片的內核強大：支持2-4個16*16硬件乘加器，可單周期執行乘加運算；單指令可同時驅動2-3個內核執行部件工作；可擴展支持浮點、三角函數等硬件加速單元；配合強大的編譯工具和庫函數支持，使得指令執行效率是通用MCU的3倍以上。
另一方面，從芯片的系統架構上看，C2000系列可以稱得上是為實時信號處理而生的。它的高精度、高速度數據采集、預先處理能力，IO通道輸入信號數字濾波功能，為中斷信號實時響應而設計的增強型中斷控制系統等硬件外設為內核的強大數字處理提供了高可靠的數據來源。通過片上CLA協處理器執行算法的浮點加速運算可有效降低主核負載，提高系統的響應速度。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量。
除此以外，支持100ps級的高精度eCAP和高精度PWM的系統外設，使得芯片具備實現更加精準的控制能力，在采用新型GaN，SiC功率驅動器件的控制場合發揮出芯片的優異性能。
TI非常重視保持C2000 DSP產品的出色，通過深挖行業客戶的需求痛點，不斷推出新產品，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，堅持多年的大學教育合作也是讓他們在市場獲得認可的關鍵，這在DSP市場也不例外。
正是因為TI DSP的統治力所帶來的可觀收入，加上市場帶來的機會，全球芯片廠商都盯上了其所瞄準的市場，中國市場的參與者也不例外。
前赴后繼，本土廠商死磕
關于誰先投入到國產DSP的研發中去，筆者尚未考究到。但據相關資料顯示，自1985年至今，從國家專用集成電路設計工程技術研究中心開始，就擁有包括中電14所、昆騰微、湖南進芯、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國產化浪潮中。
雖然經過了一輪又一輪的攻關，但國產DSP在市場上仍然沒有得到廠商的廣泛認可，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的應用場景大多數是工業客戶，與消費類客戶相比，工業客戶對產品的可靠性、性能指標的要求明顯高于消費類客戶，工業市場的準入門檻要高很多，不易進入。
其次，工業產品的生命周期長，導致DSP產品的導入周期相對長，必須做好打持久戰的準備，受制于公司治理機構和短期業績的壓力，大多數公司難以堅持下去。第三，工業市場對國產芯片的認知轉變需要過程，國產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DSP產品走向成熟的過程中，如果發生產品質量批次性問題，或者產品成本過高于對手，或者與MCU跨界競爭中方案缺乏優勢的情況，易導致DSP產品的國產化夭折。
毫無疑問，DSP的國產替代不會是一件很容易的事情。但受到當前國際競爭態勢的影響，本土需擁有降本優勢、供應鏈穩定保證以及能協助打造高競爭力產品的DSP芯片。也就是說，發展國產DSP是不二選擇。
于是，國產廠商繼續死磕DSP。以湖南進芯為例，因為產品國產化起早，公司經過工業和汽車用戶的大批量使用驗證，質量穩定，供應鏈保障能力強；近期，新產品推出速度加快、性價比高，產品服務及時，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架構外，國產廠商還探索從RISC-V來打破DSP現有的競爭局面。在行業從業者看來，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市場發揮更重要的作用，則需要在RISC-V指令集擴展上做更多的工作。
無法否定的是，經歷了多年的探索，國產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品和服務，也是國產DSP廠商攻堅的一個重要手段；更重要的是，近年來國內在新能源汽車、儲能等新行業的主導權，給本土芯片供應商創造了新的國產機會。
但我們遠沒有到慶祝的時候。因為隨著TI等廠商將DSP帶入到多核異構時代，替代難度更大。在硬件方面，除了需要內核替代外，還需要在系統架構，外設資源匹配方面做大量兼容性設計；軟件方面，則需要在軟件兼容性上需要投入大量精力，才能達到基本兼容的目標。
至于未來，DSP會從技術、產品和市場這三個方面持續演進。從技術層面看，DSP會不斷擴散、邊界消失、無處不在；從產品角度看，DSP會不斷演進，推陳出新，融入AI、FPGA GPU等技術到DSP產品中；從市場方面看，在嵌入式應用場合或特定領域，因其芯片的專業性能， DSP會維持和擴展市場份額。
由此可見，DSP的“國產化”也需要隨著時間而做出改變。國產化是短期的，本土化才是長期的，對DSP芯片的關注點會將從很快從國產化替代向更高性能的DSP inside的客戶定制SOC芯片發展。
在2012年，TI DSP面世三十周年之際，Gene Frantz在IEEE發布的一篇文章中說：“也許有人會覺得DSP作為一個產品，從一文不值到創造每年數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字處理系統中而已。”他同時指出：“永遠都會有新的吸引人的信號出現，永遠都會有處理信號的需求。”
“DSP技術為世界帶來的改變來看，我們現在還僅僅是享受到皮毛而已。”Gene Frantz在當時如是說。在筆者看來，這句話放在當下，也是適用。
換而言之，國產DSP大有可為。
