車載DSP：新應(yīng)用孕育國產(chǎn)“芯”機(jī)遇

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是一類專門用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法的半導(dǎo)體器件，其與CPU、GPU、FPGA并稱為“四大通用芯片”；依托豐富的數(shù)字信號(hào)處理指令、獨(dú)立高效的存儲(chǔ)及總線結(jié)構(gòu)、更完備的外設(shè)資源以及低功耗特性，DSP可快速完成信號(hào)采集、復(fù)雜計(jì)算處理、控制矢量輸出及通信數(shù)據(jù)交互，特別適用于實(shí)時(shí)控制應(yīng)用場(chǎng)合。當(dāng)前我國正在持續(xù)推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加快建設(shè)汽車強(qiáng)國。新能源汽車產(chǎn)業(yè)上半場(chǎng)的主題為電動(dòng)化，下半場(chǎng)的主題為智能化，作為實(shí)時(shí)控制器的DSP，均可在基礎(chǔ)器件層面提供重要支撐。打造持續(xù)穩(wěn)定的新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈與供應(yīng)鏈，發(fā)展DSP芯片意義重大，市場(chǎng)前景廣闊。

電動(dòng)化智能化，汽車漸成DSP新應(yīng)用市場(chǎng)

在汽車電動(dòng)化、智能化發(fā)展的大趨勢(shì)下，一輛汽車安裝使用的芯片數(shù)量迅速增加。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)提供的數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)燃油車所需汽車芯片數(shù)量為600～700顆，電動(dòng)車提升至1600顆/輛，更高級(jí)的智能汽有望提升至3000顆/輛。而DSP正是其中最主要的芯片類型之一。

從分布式向集中式演進(jìn)，汽車的電子電器架構(gòu)日益被分成分為五大功能域——?jiǎng)恿τ?、底盤域、車身域、座艙域和自動(dòng)駕駛域，各自實(shí)現(xiàn)基本功能。在動(dòng)力域，DSP可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主電機(jī)、直流電壓轉(zhuǎn)換DC-DC、車載充電機(jī)OBC的控制等。憑借數(shù)據(jù)和程序相互獨(dú)立的總線結(jié)構(gòu)、獨(dú)特指令集和豐富數(shù)模外設(shè)資源，DSP在同等主頻下能大幅提升算力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，保證實(shí)時(shí)性能。

車身域也是汽車電子系統(tǒng)重要的組成部分，包含汽車門窗、燈光、雨刮、電動(dòng)座椅、空調(diào)控制等與車內(nèi)駕乘體驗(yàn)息息相關(guān)的應(yīng)用，散熱風(fēng)扇控制、油泵/水泵控制等混動(dòng)汽車安全控制相關(guān)的電機(jī)應(yīng)用，均需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集外部信號(hào)、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電機(jī)計(jì)算和相應(yīng)控制，DSP芯片也非常適合使用在這些場(chǎng)景當(dāng)中。

較之燃油車，隨著動(dòng)力形式改變，新能源汽車的諸多系統(tǒng)也隨之發(fā)生變化，如動(dòng)力控制、基礎(chǔ)供電、熱管理、（增加）充電管理等，使其對(duì)電機(jī)的使用數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃油車。隨著智能電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，燃油車被替代的速度加快，DSP作為兼具精準(zhǔn)和實(shí)時(shí)的控制器，在新能源汽車中的應(yīng)用將得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

此外，DSP等控制芯片在充電樁中的應(yīng)用也不容忽視，一款高端的充電樁，需集成多顆DSP、MCU等控制器，才能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件等的數(shù)字控制。充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在加快，截止2022年12月全國已累計(jì)建成充電樁521.0萬臺(tái)。以常見功率120kW左右的直流充電樁為例，含功率器件及控制芯片的充電模塊占比最高達(dá)50%。

整體規(guī)模攀升，DSP具獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)

由于應(yīng)用場(chǎng)景的增長及單位設(shè)備中采用數(shù)量的增多，DSP的整體市場(chǎng)規(guī)模不斷攀升。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2022年全球DSP市場(chǎng)規(guī)模約達(dá)129.06億美元。從DSP芯片下游應(yīng)用結(jié)構(gòu)來看，通信、儀器儀表、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制、航空航天、汽車等均是DSP的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在汽車，在電動(dòng)化、智能化的加持下，電機(jī)控制的需求不斷增多。DSP獨(dú)特之處在于可以即時(shí)處理數(shù)據(jù)，使其在這一領(lǐng)域擁有先天的優(yōu)勢(shì)。汽車特別是新能源汽車已經(jīng)成為DSP最新也是最重要的應(yīng)用市場(chǎng)之一。

一般而言，MCU（MPU）、FPGA與DSP是人們經(jīng)常談及的車規(guī)級(jí)控制類芯片，常用于發(fā)動(dòng)機(jī)/底盤/車身控制等。MCU主要完成管理相關(guān)的任務(wù)，可根據(jù)外界信號(hào)，產(chǎn)生響應(yīng)，進(jìn)行一些簡單的人機(jī)交互。對(duì)于這種需求，通常不需要芯片有太高的主頻，如早期的8051系列MCU主頻約為10M～20MHz。隨著ARM的32位MCU的出現(xiàn)，應(yīng)用范圍才逐步擴(kuò)大，但仍以百兆赫茲級(jí)別為主。

FPGA的硬件結(jié)構(gòu)可以通過編程修改，這使FPGA在設(shè)計(jì)和仿真上擁有極大的優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)FPGA編程，可以實(shí)現(xiàn)特定的處理器功能。但是，F(xiàn)PGA片內(nèi)有大量邏輯門和解發(fā)器，規(guī)模大、集成度高、可重復(fù)編輯，更適用于系統(tǒng)高速取樣、高數(shù)據(jù)率的場(chǎng)景。

DSP的優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)算及控制，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度。部分DSP產(chǎn)品對(duì)于控制算法非常擅長，對(duì)于處理復(fù)雜多算法任務(wù)，比如在車載電機(jī)控制、電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)等方面，正是DSP的好球區(qū)。因此，隨著新能源汽車市場(chǎng)的發(fā)展，DSP已經(jīng)快速進(jìn)入汽車電控單元，成為當(dāng)前主要發(fā)展的車規(guī)芯片之一。

值得一提的是，DSP芯片雖然與MCU和FPGA有明顯的區(qū)別，但目前他們之間的關(guān)系既有競(jìng)爭(zhēng)也有融合。如DSP核與ARM核融合，德州儀器的一些面向車載的高端產(chǎn)品，在DSP周邊配置更多MCU作為外設(shè)，使其控制能力大大提升。在既強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)靈活、通用性強(qiáng)以及處理復(fù)雜算法的需求下，部分廠商也會(huì)將DSP和FPGA聯(lián)合，采用DSP+FPGA的架構(gòu)，或者將DSP模塊遷入到FPGA中，也是一種設(shè)計(jì)思路。

國產(chǎn)DSP上車，機(jī)會(huì)窗口正在打開

全球第一塊單片DSPTMS32010及其系列產(chǎn)品在1982年誕生。此后，德州儀器、ADI、摩托羅拉等公司不斷推出不同檔次的DSP產(chǎn)品并逐步占領(lǐng)全球市場(chǎng)。目前世界上DSP芯片制造商主要包括德州儀器、ADI和摩托羅拉、恩智浦、杰爾系統(tǒng)等，其中德州儀器的產(chǎn)品線最為豐富，應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛。

德州儀器生產(chǎn)的C2000系列是目前應(yīng)用比較廣泛的產(chǎn)品之一。它的優(yōu)勢(shì)在于集成浮點(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核，既具有DSP的較大處理能力，又具有MCU的集成優(yōu)勢(shì)，使C2000非常適合做實(shí)時(shí)控制運(yùn)算。傳統(tǒng)上，C2000被應(yīng)用于數(shù)字電源和電機(jī)控制。隨著新能源汽車中電機(jī)控制的需求越來越多，如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、防撞等，新能源汽車中的車載充電器 (OBC) 和直流/直流電源、以及汽車牽引電機(jī)也成為C2000的用武之地。

汽車市場(chǎng)的高成長性吸引了各大實(shí)力廠商，均希望能夠快速搶占汽車等新興領(lǐng)域進(jìn)行布局。由于國際大廠具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，已對(duì)下游客戶穩(wěn)定供貨多年。特別是車企對(duì)供應(yīng)鏈的安全與穩(wěn)定性極為重視，不會(huì)輕易更換供應(yīng)商，國產(chǎn)DSP打入供應(yīng)鏈并不容易。

不過，受2020年爆發(fā)的缺芯潮以及地緣政治因素影響，車企已經(jīng)逐漸開始接納國內(nèi)芯片企業(yè)的產(chǎn)品，甚至直接投資進(jìn)行研發(fā)。同時(shí)，國內(nèi)芯片制造廠也有意愿進(jìn)行車規(guī)工藝的投入。這些都為國內(nèi)車載DSP的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。如進(jìn)芯電子開發(fā)的32位浮點(diǎn)DSP芯片AVP32F335系列、32位定點(diǎn)DSP芯片ADP32F035系列、16位定點(diǎn)DSP芯片ADP/ADM16F03系列等，符合IATF16949、AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，獲得OEM廠商認(rèn)可，已實(shí)現(xiàn)商用量產(chǎn)。對(duì)于國內(nèi)DSP企業(yè)來說，應(yīng)該抓住這個(gè)難得的機(jī)會(huì)窗口，促進(jìn)上下游間的合作，多方協(xié)同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

集成與異構(gòu)，新技術(shù)提供“彎道超車”新機(jī)遇

隨著電動(dòng)化、智能化的發(fā)展，DSP在車用領(lǐng)域必將展現(xiàn)出一些新的技術(shù)趨勢(shì)。首先就是更高的集成度。車企不斷追求更高的駕駛體驗(yàn)，對(duì)于動(dòng)力域主控來說，需要更高的算力，持續(xù)的性能提升。因此，將多個(gè)DSP芯核以及外圍的電路單元集成在一顆芯片上，實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)級(jí)的SoC成為趨勢(shì)。

異構(gòu)也是趨勢(shì)之一。從國際DSP大廠的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，DSP的應(yīng)用場(chǎng)景越來越豐富，巨頭們已經(jīng)形成了更集成、更多核以及更多新架構(gòu)的產(chǎn)品，同時(shí)出現(xiàn)了DSP與ARM、DSP與FPGA的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

在汽車的應(yīng)用當(dāng)中，低功耗的需求也不容忽視。由于系統(tǒng)運(yùn)算量大且速度要求高，因此DSP內(nèi)部的部件開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換十分頻繁，這使得DSP的功耗在應(yīng)用系統(tǒng)的功耗中占有相當(dāng)?shù)谋壤？傮w而言，未來的DSP需要滿足各種嵌入式系統(tǒng)集成化、智能化、低功耗的發(fā)展趨勢(shì)，將朝著數(shù)據(jù)處理能力越來越強(qiáng)、集成度越來越高、功耗越來越低等方向發(fā)展。

這些新的技術(shù)趨勢(shì)演進(jìn)過程，為我國DSP產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了機(jī)遇。近年來，國產(chǎn)DSP雖然在數(shù)據(jù)處理能力的提升，數(shù)字模擬混合電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)等方面遇到一些挑戰(zhàn)。但是我國擁有巨大的下游應(yīng)用市場(chǎng)，新能源汽車產(chǎn)銷已經(jīng)居于世界首位。這就給國內(nèi)DSP企業(yè)反復(fù)琢磨，更新技術(shù)提供了空間。國內(nèi)DSP企業(yè)更容易針對(duì)國內(nèi)用戶的痛點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足用戶需求。比如在安全性方面，采用國產(chǎn)核心芯片就可以針對(duì)安全問題進(jìn)行強(qiáng)化處理。

由于國產(chǎn)DSP更加貼近汽車客戶，能夠提供更及時(shí)、全方位響應(yīng)支持，這是國際大廠所不具備的。對(duì)中國電動(dòng)汽車供應(yīng)鏈的支持，需求早期的支持、信息交換也是國際大廠無法比擬的。國際大廠更多是傾向于交付成品。

對(duì)于國產(chǎn)DSP來說，新興的汽車應(yīng)用市場(chǎng)是實(shí)現(xiàn)高端突破的一個(gè)最佳切入點(diǎn)，不僅應(yīng)用需求量大，對(duì)于實(shí)現(xiàn)自主可控的迫切性也很高。一旦在關(guān)鍵行業(yè)實(shí)現(xiàn)突破，就會(huì)形成產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)效應(yīng)，加速國產(chǎn)DSP向更多市場(chǎng)領(lǐng)域推廣。