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數字信號處理發展現狀及趨勢

從TI第壹顆DSP誕生至今已有25年,成就了無數輝煌。多核、SoC的發展方向使DSP將繼續高速成長,同時,它的發展也正在面臨來自FPGA、ASIC的挑戰。

DSP概念最早出現在上個世紀60年代,到70年代才由計算機實現部分實時處理,當時主要用於高尖端領域。由於DSP技術與大量運算相關,每秒完成百萬條指令運算就變為壹個新的單位MIPS(每秒百萬條指令)。80年代,有些公司陸續設計出適合於DSP處理技術的處理器,於是DSP開始成為壹種高性能處理器的名稱。TI在1982年發布了第壹顆DSP芯片,名為TMS32010,這是壹個處理速度達5個MIPS的處理器。

加入TI公司有12個年頭的清華才俊鄭小龍,從技術應用工程師打拼到負責DSP在中國的銷售業務,熟諳DSP圈裏的事。他談起了DSP誕生的故事:

那時只有兩種處理器,壹種是作為PC核心的CPU,另壹種是微控制器MCU。這兩種處理器的在進行大量運算時都面臨技術瓶頸,業內就在考慮“是不是需要壹種高速的數字信號處理的器件”。那個時候,數字信號處理的理論已經有了,像濾波器、編碼解碼等對於乘加結構要求很高,如果用CPU來處理的話,指令非常多、效率比較低;而如果在處理器中就有這樣壹個乘加結構,數字濾波器就可以實現實時的處理結果。

DSP剛開始出現時,采用了NMOS工藝,然後由於功耗的原因,很快轉到CMOS,例如C54、C55等型號中的“C”就表示CMOS。那個時候成本還是比較高的,實現每個MIPS的成本高達10~100美元,成為商品化的障礙。

發展軌跡:DSP歷史的三個階段

TI首席科學家兼DSP業務開發經理方進 (Gene Frantz)在年前接受電子工程專輯采訪時曾這樣說過,“DSP產業在約40年的歷程中經歷了三個階段:第壹階段,DSP意味著數字信號處理,並作為壹個新的理論體系廣為流行;隨著這個時代的成熟,DSP進入了發展的第二階段,在這個階段,DSP代表數字信號處理器,這些DSP器件使我們生活的許多方面都發生了巨大的變化;接下來又催生了第三階段,這是壹個賦能(enablement)的時期,我們將看到DSP理論和DSP架構都被嵌入到SoC類產品中。”

80年代開始了第二個階段,DSP從概念走向了產品,TMS32010所實現的出色性能和特性備受業界關註。方進先生在壹篇文章中提到,新興的DSP業務同時也承擔著巨大的風險,究竟向哪裏拓展是生死攸關的問題。當設計師努力使DSP處理器每MIPS成本降到了適合於商用的低於10美元範圍時,DSP在軍事、工業和商業應用中不斷獲得成功。到1991年,TI推出價格可與16位微處理器不相上下的DSP芯片,首次實現批量單價低於5美元,但所能提供的性能卻是其5至10倍。

到90年代,多家公司躋身DSP領域與TI進行市場競爭。TI首家提供可定制 DSP——cDSP,cDSP 基於內核 DSP的設計可使DSP具有更高的系統集成度,大加速了產品的上市時間。同時,TI瞄準DSP電子市場上成長速度最快的領域。到90年代中期,這種可編程的DSP器件已廣泛應用於數據通信、海量存儲、語音處理、汽車電子、消費類音頻和視頻產品等等,其中最為輝煌的成就是在數字蜂窩電話中的成功。這時,DSP業務也壹躍成為TI最大的業務,這個階段DSP每MIPS的價格已降到10美分到1美元的範圍。

21世紀DSP發展進入第三個階段,市場競爭更加激烈,TI及時調整DSP發展戰略全局規劃,並以全面的產品規劃和完善的解決方案,加之全新的開發理念,深化產業化進程。成就這壹進展的前提就是DSP每MIPS價格目標已設定為幾個美分或更低。

DSP演進圖:性能、價格、功耗是不變的追求

無疑,CMOS工藝的改變大大降低了功耗,而且隨著工藝節點從3微米、0.8微米、0.1微米以及未來的納米工藝,低功耗是DSP壹個不變的特性。同時,DSP的主頻不斷得到提升,從開始的5MHz,到100MHz、200MHz。

“壹個關鍵的轉折點出現在90年代中期,TI開發出多並行處理結構,1997年推出了C6000 DSP,有8個並行運算單元,原來每個單元性能可達200MPS,這樣壹下子提高了8倍到1600 MIPS。” 這些運算單元可以有不同的組合,分為2組、每組4個,包括邏輯處理、數字處理、乘法運算、移位處理四類單元,分別適合不同的應用。這壹時期,DSP已廣泛用於數據通信、海量存儲、語音處理、消費音視頻產品等,特別是在蜂窩電話領域的成功。鄭小龍說道,“今天針對基站應用的C6?16主頻達到1.1GHz、處理能力超過8000MIPS。”

性能、價格、功耗永遠是DSP追求的目標。在這個目標的驅動下,每隔十年DSP的性能、規模、工藝、價格等就會發生壹個躍遷。如表1所示,DSP的演進同樣遵循著摩爾定律,伴隨著集成度的不斷提高,是性能的提升、價格的下降。

表1:每隔十年DSP性能、規模、工藝、價格的變動。

針對DSP功耗的變動趨勢,存在壹個Gene定律。從圖1可見,1982年每MIPS的功耗為250mW,到1992下降為12.5mW,而到2000年僅為0.1mW,2004年到0.01mW,而預計2010年將挑戰0.001mW。Gene定律認為,DSP功耗性能比每隔5年將降低10倍。

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