媒體聚焦 | 國產(chǎn)廠商，死磕這顆芯片

如果說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，香濃的這篇論文開拓了一個(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。

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(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，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，因此他們沒有將指令與主存儲(chǔ)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(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，總體芯片成本競爭力強(qiáng)。得益于這些優(yōu)勢(shì)，過去多年里，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、汽車電子和數(shù)字電源等也都成為了DSP的忠實(shí)追隨者。

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(jì)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(chǎng)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(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(duì)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(jiān)持下去。第三，工業(yè)市場(chǎng)對(duì)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(chǎng)的考驗(yàn)。

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(duì)手，或者與MCU跨界競爭中方案缺乏優(yōu)勢(shì)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(huì)是一件很容易的事情。但受到當(dāng)前國際競爭態(tài)勢(shì)的影響，本土開發(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?yàn)楫a(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(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(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(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)，也是國產(chǎn)DSP廠商攻堅(jiān)的一個(gè)重要手段；更重要的是，近年來國內(nèi)在新能源汽車、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)造了新的國產(chǎn)機(jī)會(huì)。

但我們遠(yuǎn)沒有到慶祝的時(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，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，DSP的“國產(chǎn)化”也需要隨著時(shí)間而做出改變。國產(chǎn)化是短期的，本土化才是長期的，對(duì)DSP芯片的關(guān)注點(diǎn)會(huì)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(huì)覺得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)好消息的開始。因?yàn)樗]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(shí)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。