什麼是DSP

DSP 晶片的誕生過程

1982 年世界上誕生了第一代 DSP 晶片 TMS32010 及其系列產品。這種 DSP 器件採用微米工藝 NMOS 技術製作，雖功耗和尺寸稍大，但運算速度卻比微處理器快了幾十倍。 DSP 晶片的問世是個里程碑，它標誌著 DSP 應用系統由大型系統向小型化邁進了一大步。至 80 年代中期，隨著 CMOS 工藝的 DSP 晶片應運而生，其儲存容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理、影象硬體處理技術的基礎。

80 年代後期，第三代 DSP 晶片問世。 運算速度進一步提高，其應用範圍逐步擴大到通訊、計算機領域；

90 年代 DSP 發展最快，相繼出現了第四代和第五代 DSP 晶片。 第五代與第四代相比系統整合度更高，將 DSP 芯核及外圍元件綜合整合在單一晶片上。

進入 21 世紀後，第六代 DSP 晶片橫空出世。第六代晶片在效能上全面碾壓第五代晶片，同時基於商業目的的不同發展出了諸多個性化的分支，並開始逐漸拓展新的領域。

DSP 晶片的應用領域

DSP 晶片強調數字訊號處理的實時性。 DSP 作為數字訊號處理器將模擬訊號轉換成數字訊號，用於專用處理器的高速實時處理。 它具有高速，靈活，可程式設計，低功耗的介面功能，在圖形影象處理，語音處理，訊號處理等通訊領域起到越來越重要的作用。

       

DSP晶片在市場上的應用情況

應用 DSP 的領域較多， 未來新應用領域有望層出不窮。 根據美國的權威資訊公司統計，目前 DSP 晶片在市場上應用最多的是通訊領域， 佔 56.1％；其次是計算機領域，佔 21.16％；消費電子和自動控制佔 10.69％；軍事／航空佔 4.59％；儀器儀表佔 3.5％；工業控制佔 3.31％；辦公自動化佔 0.65％。

       

DSP晶片的應用領域

1）DSP 晶片在多媒體通訊領域的應用。

媒體資料傳輸產生的資訊量是巨大的，多媒體網路終端在整個過程中需要對獲取的資訊量進行快速分析和處理，因此 DSP 被運用在語音編碼，影象壓縮和減少語音通訊上。如今 DSP 對於語音解碼計算產生實時效果，設計協議要求已經成為最基本的一條國際標準。

2）DSP 晶片在工業控制領域的應用。

在工業控制領域， 工業機器人被廣泛應用，對機器人控制系統的效能要求也越來越高。機器人控制系統重中之重就是實時性，在完成一個動作的同時會產生較多的資料和計算處理，這裡可以採用高效能的 DSP。 DSP通過應用到機器人的控制系統後，充分利用自身的實時計算速度特性，使得機器人系統可以快速處理問題，隨著不斷提高 DSP 數字訊號晶片速度，在系統中容易構成並行處理網路，大大提高控制系統的效能，使得機器人系統得到更為廣泛的發展。

3）DSP 晶片在儀器儀表領域的應用。

DSP 豐富的片內資源可以大大簡化儀器儀表的硬體電儀路，實現儀器儀表的 SOC 設計。器儀表的測量精度和速度是一項重要的指標，使用 DSP 晶片開發產品可使這兩項指標大大提高。例如 TI 公司的 TMS320F2810 具有高效的 32 位 CPU 核心，12 位 A/D 轉換器，豐富的片上儲存器和靈活的指揮系統，為高精密儀器搭建了廣闊的平臺。高精密儀器現在已經發展成為 DSP 的一個重要應用，正處於快速傳播時期，將推動產業的技術創新。

       

美國德州儀器公司的 TMS320 晶片

3）DSP 晶片在汽車安全與無人駕駛領域的應用。

汽車電子系統日益興旺發達起來，諸如裝設紅外線和毫米波雷達，將需用 DSP 進行分析。如今，汽車愈來愈多，防衝撞系統已成為研究熱點。而且，利用攝像機拍攝的影象資料需要經過 DSP 處理，才能在駕駛系統裡顯示出來，供駕駛人員參考。

4）DSP 晶片在軍事領域的應用。

DSP 的功耗低、體積小、實時性反應速度都是武器裝備中特別需要的。如機載空空導彈，在有限的體積內裝有紅外探測儀和相應的 DSP訊號處理器等部分，完成目標的自動鎖定與跟蹤。先進戰鬥機上裝備的目視瞄準器和步兵個人攜帶的頭盔式微光儀，需用 DSP 技術完成影象的濾波與增強，智慧化目標搜尋捕獲。 DSP 技術還用於自動火炮控制、巡航導彈、預警飛機、相控陣天線等雷達數字訊號處理中。

高階市場被國外公司壟斷

目前， 世界上 DSP 晶片製造商主要有 3 家：德州儀器（TI）、 模擬器件公司（ADI）和摩托羅拉（Motorola） 公司，其中 TI 公司獨佔鰲頭， 佔據絕大部分的國際市場份額， ADI 和摩托羅拉公司也有一定市場。

德州儀器公司（TI） 是 DSP 業界公認的龍頭老大， 公司在 1982 年成功推出了其第一代 DSP 晶片 TMS32010，由於 TMS320 系列 DSP 晶片具有價格低廉、簡單易用、功能強大等特點，所以逐漸成為目前最有影響、最為成功的 DSP 系列處理器。

在 TI公司主打的三個系列中， c2000 系列現在所佔市場份額較小，如今 TI 官網上的 DSP產品主要以 c6000 與 c5000 為主。 TI 的三大主力 DSP 產品系列為 C2000 系列主要用於數字控制系統； C5000（C54x、 C55x）系列主要用於低功耗、便攜的無線通訊終端產品； C6000 系列主要用於高效能複雜的通訊系統。 C5000 系列中的TMS320C54x 系列 DSP 晶片被廣泛應用於通訊和個人消費電子領域。

C6000 系列主打產品為： C6000 DSP ARM 處理器(12)——OMAP-L1x (5)、66AK2x (7)； C6000 DSP (94)——C674xDSP (5)、 C66x DSP (11)

C5000 系列主打產品為： C55x 超低功耗 DSP，為超低功耗的緊湊型嵌入式產品提供高效的訊號處理。

TI 公司的 DSP 產品主要應用範圍在機器視覺、航空電子和國防、尺寸、重量和功耗（SWAP）、音訊、視訊編碼/解碼與生物識別領域。

       

TI 公司官網上的主打的四款 DSP 晶片產品

目前， ADI 公司有六款主打產品，分別應用在語音處理、影象處理、過程控制、測控與測量等領域。

       

ADI 公司主打 DSP 產品及應用領域

摩托羅拉公司也是全球較大的 DSP 晶片生產商，其產品包括定點的和浮點的，專用的和通用的， 16 位和 24 位以及 32 位。 DSP 晶片主要應用於語音處理、通訊、數字相機、多媒體、控制等領域。 主打產品有 DSP56000 系列、 DSP56800 系列、DSP56800E 系列、 MSC8100 系列、 DSP56300 系列等。

未來 DSP 技術將向以下幾個方面繼續發展與更新：

1）DSP 芯核整合度越來越高。

縮小 DSP 晶片尺寸一直是 DSP 技術的發展趨勢，當前使用較多的是基於 RISC 結構，隨著新工藝技術的引入，越來越多的製造商開始改進DSP 芯核，並且把多個 DSP 芯核、 MPU 芯核以及外圍的電路單元整合在一個晶片上，實現了 DSP 系統級的積體電路。

2）可程式設計 DSP 晶片將是未來主導產品。

隨著個性化發展的需要， DSP 的可程式設計化為生產廠商提供了更多靈活性，滿足廠家在同一個 DSP 晶片上開發出更多不同型號特徵的系列產品，也使得廣大使用者對於 DSP 的升級換代。 例如冰箱、洗衣機，這些原來裝有微控制器的家電如今已換成可程式設計 DSP 來進行大功率電機控制。

3）定點 DSP 佔據主流。

目前，市場上所銷售的 DSP 器件中，佔據主流產品的依然是16 位的定點可程式設計 DSP 器件，隨著 DSP 定點運算器件成本的不斷低，能耗越來越小的優勢日漸明顯，未來定點 DSP 晶片仍將是市場的主角。

FPGA晶片與DSP晶片的相愛相殺

FPGA 即現場可程式設計門陣列， 它是作為專用積體電路（ASIC） 領域中的一種半定製電路而出現的，既解決了定製電路的不足，又克服了原有可程式設計器件閘電路數有限的缺點。 有了 FPGA 晶片， 可以用程式編一個新發明的 CPU 核心出來，嵌到 FPGA 晶片中去， 並且可以嵌入多個。

       

FPGA的基本架構

國際 FPGA 市場被四大巨頭壟斷， 分別是賽靈思、阿爾特拉、美高森美以及萊迪思。阿爾特拉和賽靈思是 FPGA 的發明者，其中阿爾特拉於 1983 年發明世界上第一款可程式設計邏輯器件，賽靈思於 1985 年公司推出的全球第一款 FPGA 產品 XC2064。 根據2017 年公司財務資料統計，賽靈思營收 23.49 億美元， 阿爾特拉（被英特爾收購）為 19.02 億美元，美高森美 FPGA 業務為 4.21 億美元，萊迪思為 3.86 億美元。 賽靈思和阿爾特拉兩家公司幾乎佔據了整個國際市場的 90%。

       

2017 年 FPGA 四巨頭市場佔有率

FPGA 晶片與 DSP 晶片是有區別的。 DSP 是專門的微處理器，適用於條件程序，特別是較複雜的多演算法任務。 FPGA 包含有大量實現組合邏輯的資源，可以完成較大規模的組合邏輯電路設計，同時還包含有相當數量的觸發器，藉助這些觸發器， FPGA又能完成複雜的時序邏輯功能。

       

2016 年 FPGA 晶片的應用領域

FPGA 晶片與 DSP 晶片是有區別的。 DSP 是專門的微處理器，適用於條件程序，特別是較複雜的多演算法任務。 FPGA 包含有大量實現組合邏輯的資源，可以完成較大規模的組合邏輯電路設計，同時還包含有相當數量的觸發器，藉助這些觸發器， FPGA又能完成複雜的時序邏輯功能。

DSP 晶片的通用性相對弱， FPGA 則通用性更強；

DSP 具有軟體的靈活性， 而 FPGA 具有硬體的高速性；

DSP 對較低速的事件串聯執行， 但是處理前可能會有些時延， 而 FPGA 不能處理多事件， 因為每個事件都有專用的硬體， 但是採用這種專用硬體實現的每個事件的方式可以使各個事件同時執行；

DSP 是按照指令的順序流來程式設計的，而 FPGA 是以框圖方式程式設計的， 這樣很容易看資料流。

       

FPGA 晶片與 DSP 晶片的比較

在既強調結構靈活、 通用性，以及處理複雜演算法的需求下，往往將 DSP 和 FPGA 聯合起來，採用 DSP FPGA 結構， 或者將 DSP 模組嵌入的 FPGA 晶片中，這也是未來設計的一種趨勢。

告別無“芯”之痛， 國產 DSP 獲突破

“核高基”重大專項從國家層面大力推動國產高階晶片的研發。 2006 年，國務院頒佈了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006 年-2020 年）》，“核心電子器件、高階通用晶片及基礎軟體產品”（簡稱“核高基重大專項”）位列 16 個科技重大專項首位，也被稱之為“01 專項”。

專項的實施極大地提升了我國積體電路產業的發展速度。 2001~2016 年間，我國積體電路市場規模由 1260 億元增加至約 12000 億元，佔全球市場份額的將近 60%，產業銷售額擴大超過 23 倍，由 188 億元擴大至 4336 億元。國內對 DSP 方面的研究起步較晚，但是發展較快。 中電科 14 所承擔起研發 DSP 晶片的任務。

10 年磨一劍， 14 所跟龍芯公司、清華大學合作開發國產 DSP 晶片華睿 1號在 2012 年通過核高基專項組驗收。華睿 1號成功應用於 14所十多型雷達產品中，創造了國產多核 DSP 晶片產品應用的“三個之最”： 雷達裝備應用型號最多、單臺套應用數量最多和總應用數量最多。 目前， 華睿 2 號已成功研製出，並已經通過所內測試，並將很快推向市場。 下一步， 14 所計劃將在華睿 3 號上採用更為先進的製造工藝，進一步提高主頻， 提高通用效能， 在專用效能方面採用流處理器方式，提高專用計算的效能，同時降低功耗。

“華睿 1 號”代表國內 DSP 晶片工藝最高水平。 在處理系統設計方面採用了 DSP 和CPU 多核架構設計技術， 實測表明， “華睿 1 號”的處理能力和能耗具有明顯優勢，執行多工實時作業系統十分穩定，晶片的整體技術指標達到或優於國際同類產品水平。華睿 1號填補了我國在多核DSP領域的空白，對提高我國高階晶片的自主研發能力、提升我國電子整機裝備研製水平、保障國家資訊保安等方面具有重大意義與影響。

       

華睿晶片

魂芯 1 號是由中國電子科技集團第 38 所吳曼青團隊研製成功的， 2012 年完成測試。 魂芯一號（BWDSP100） 是一款 32 位靜態超標量處理器， 屬於 DSP 第二發展階段的產品。該晶片基於 55nm 製作工藝實現的，具有完全自主知識主權。

       

魂芯一號

魂芯 1 號達到國際主流 DSP 晶片水平，與美國模擬器件公司（ADI） TS201 晶片新能相近。 TS201 是 ADI 公司的一款主流 DSP 晶片， 它整合了定點和浮點計算功能的高速 DSP。該處理器廣泛應用於視訊、通訊市場和國防軍事裝備中，適合於大資料量實時處理的應用領域。

       

魂芯 1 號與 TS201 特性對比

魂芯 1 號是一款高效能通用 DSP，可廣泛應用於各類高效能訊號處理領域， 典型的整機裝備應用包括雷達、聲納、電子對抗等。

魂芯 2 號 A 剛剛釋出， 單核效能超過當前國際同類晶片效能 4 倍。 2018 年 4 月 23日， 中國電科 38 所釋出了 魂芯 2 號 A， 該晶片採用全自主體系架構，研發歷時 6年， 相對於魂芯 1 號，魂芯 2 號 A 效能提升了 6 倍，通過單核變多核、擴充套件運算部件、升級指令系統等手段，使器件效能千億次浮點運算同時，具有相對良好的應用環境和除錯手段；單核實現 1024 浮點 FFT （快速傅立葉變換）運算僅需 1.6 微秒，運算效能比德州儀器公司 TMS320C6678 高 3 倍，實際效能為其 1.7 倍，器件資料吞吐率達每秒 240Gb。

DSP 晶片在民用資訊領域市場空間巨大

DSP 晶片支援通訊、計算機和消費類電子產品的數字化融合。在無線領域 DSP 遍及無線交換裝置、基站和手持終端； 在網路領域， DSP 涵蓋從基礎設施到寬頻入戶裝置， 包括 IP 閘道器和 IP 電話和電纜調變解調器等。隨著中國數字消費類產品需求的大幅增長，以及 DSP 對數字訊號高速運算與同步處理能力的提高， DSP 的應用領域將逐漸從行動電話領域擴充套件到新型數字消費類領域，從而應用領域橫跨 3C，且分佈將日趨均衡。

DSP 晶片在智慧手機中扮演重要角色。 DSP 晶片可以為行動電話帶來更好的語音、音訊、影象體驗，可以極大提升手機單項功能的能力， 讓手機執行速度更快。由於DSP 具有強大的計算能力，使得行動通訊的蜂窩電話迅速崛起，並創造了一批諸如GSM、 CDMA 等全數字蜂窩電話網。同時 DSP 晶片是行動電話等電子產品更新換代的重要決定因素。工信部資料顯示， 2017 年，行動電話使用者淨增 9555 萬戶，總數達 14.2 億戶，行動電話使用者普及率達 102.5 部/百人，比上年提高 6.9 部/百人， 行動電話需求量的穩步上升將引致 DSP 晶片等積體電路的大量需求。

       

2000~2017 年固定電話、行動電話使用者發展情況

移動寬頻需求量與 DSP 需求量呈正向變動。 基於 DSP 的 ADSL 和 HFC 作為兩種最常用的寬頻接入技術，同時，基於 DSP 的通用系統可以實現無線接入點通訊系統，具有較好的開放性， 配置靈活， 可擴充套件性強，因此移動寬頻需求量與 DSP 需求量呈正向變動。截止 2017 年年底，三家基礎電信企業的固定網際網路寬頻接入使用者總數達3.49 億戶，全年淨增 5133 萬戶。移動寬頻使用者（即 3G 和 4G 使用者）總數達 11.3 億戶，全年淨增 1.91 億戶，佔行動電話使用者的 79.8%。隨著移動寬頻的普及推廣未來DSP 市場需求可期。

       

2000~2017 年移動寬頻使用者 3G、 4G發展情況

IPTV 等數字消費類產品的需求日益擴張，新型數字消費領域 DSP 晶片未來市場需求可期。 基於 DSP＋FPGA 的閘道器實現方案可以將數字電視訊號轉換為組播訊號， 實現有線電視業務與電話語音業務、計算機網際網路業務的融合。近年來，國家大力出臺扶持政策、加快培育新興 IPTV、物聯網、智慧家庭等業務。 2017 年末， IPTV 使用者數達到 1.22 億戶，全年淨增 3545 萬戶。