DSP芯片誕生開始究竟帶來了什么？ - 全文

DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。其獨特之處在于它能即時處理資料，正是這項即時能力使得DSP最適合支援無法容忍任何延遲的應(yīng)用。

其內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。現(xiàn)在DSP產(chǎn)品很多，定點DSP有200多種，浮點DSP有100多種。目前主要供應(yīng)商有 TI、ADI、Motorola等，其中 TI 占有最大的市場份額主導產(chǎn)品。

TI公司在1982年成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010，這是DSP應(yīng)用歷史上的一個里程碑，從此DSP芯片開始得到真正的廣泛應(yīng)用。由于TMS320系列DSP芯片具有價格低廉、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。

此前，TI首席科學家Gene Frantz（方進）撰文，詳細敘述了TI DSP的發(fā)展歷程與其本人與DSP的不解之緣，這也是DSP技術(shù)不斷創(chuàng)新的動力源泉：

DSP的理論首次被提出是在20世紀六十年代中期，當時我還在讀高中。到了七十年代初，我聽說數(shù)字信號處理可以在通信方面起到一些神奇的作用。后來我在德州儀器的計算器部門工作，同時攻讀我的碩士學位，也正是那時，我在一本名叫《Digital Signal Processing》的教科書中接觸到了數(shù)字信號處理的理論，那是1977年。

從負責Speak &Spell產(chǎn)品開始

在20世紀70年代，數(shù)字信號處理還僅僅是一項受限于計算機的實時操作實現(xiàn)能力和掌握熟練DSP技能的工程師的技術(shù)。而我是負責Speak &Spell這個產(chǎn)品的團隊中的一員。這款產(chǎn)品是首次搭載DSP技術(shù)的兒童玩具，通過合成語音來進行啟蒙教育。

這個團隊創(chuàng)立之初只有四個人。Paul和我負責產(chǎn)品研發(fā)這一塊。我們還拉入一個IC架構(gòu)師Larry Brantingham，和一個語音系統(tǒng)專家Richard Wiggins。能趕上那個時機對我們來說真的很幸運。記得那是1976年的秋天。

圖1 拍攝于1978年夏天，正值Speak & Spell最初開發(fā)的階段，從左至右：Gene Frantz， Richard Wiggins， the Speak & Spell， Paul Breedlove and Larry Brantingham

在為這款產(chǎn)品的可行性研究確立了內(nèi)部資金之后，我們四個開始了這項工程的可行性研究。1976年的12月，我們用一臺內(nèi)嵌陣列處理機的TI-980電腦來進行演示。我們設(shè)計了芯片組并且在1978年成功推出了原型機。在6月份芝加哥舉辦的CES（美國消費電子展）展會上，我們?yōu)檫@款產(chǎn)品進行了宣傳。8月份，Speak& Spell就開始投產(chǎn)了。首次出貨進入市場是在9月份。1982年，Speak& Spell出現(xiàn)在了斯蒂芬?斯皮爾伯格的大片ET中，從而成為了流行文化的巔峰之作。

當時，我感覺我們是走在DSP技術(shù)革命的最前沿，我們也意識到了半導體技術(shù)可以廣泛地商業(yè)化，而關(guān)鍵要做的就是培養(yǎng)足夠多的DSP工程師，同時要讓客戶能夠跨越這個新舊技術(shù)交替的鴻溝，讓他們肯去冒這個風險，而且我們要打造出一個簡單易用的平臺。正如我所看到的，數(shù)字信號處理技術(shù)擁有無限的潛力，它將在手機、成像、醫(yī)療電子、安防等領(lǐng)域掀起一場數(shù)字革命。

加入到TI新成立的DSP團隊

有了做Speak& Spell的經(jīng)驗之后，我加入到了TI新成立的DSP團隊，我們通過這個團隊，把這項革新的技術(shù)推廣給大眾。我們從拜訪那些數(shù)字信號處理領(lǐng)域的權(quán)威教授開始，為他們提供TI當時的主流可編程DSP設(shè)備的硬件和軟件，讓他們來進行研究和實施，從而加速這種技術(shù)在市場上的擴散。

但是這些還不夠，TI需要加速那些DSP人才的培養(yǎng)，所以我們贊助了教科書、實驗室，捐贈了設(shè)備，還游說了全球各地的教授來推動大學中的DSP教育，無論是博士還是學士，都有機會接觸到DSP的課程。我還看到了客戶對于這項技術(shù)的實習培訓和應(yīng)用說明的需求。我們的第一款產(chǎn)品是TMS32010，性能達到了5MIPS，并擁有55000個晶體管。1982年2月4日我們在ISSCC上發(fā)布了這款產(chǎn)品，一年以后進入市場。圖2是TMS32010的裸片圖。

圖2 TMS32010的裸片圖，擁有3-nm NMOS的設(shè)計技術(shù)以及大約 50，000 邏輯門電路庫。

低功耗技術(shù)革新

我開始思考，我們?nèi)绻胍淖兪澜?，那么產(chǎn)品必須變得更加便攜。這驅(qū)使我把功耗當做IC設(shè)計的重要部分。低功耗技術(shù)的革新是便攜領(lǐng)域從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字的本質(zhì)要求。于是我又從頭到尾研究了一遍數(shù)字信號處理，尋找降低功耗的方法。后來我選擇了數(shù)字信號處理的一項基本功能---- MAC功能。

令我感到意外的是，數(shù)字信號處理器件的功率損耗（以Mw/MMACs計）平均每18個月會減掉一半。于是，我拿著一張對比圖表來敦促我們的設(shè)計團隊，讓他們將功耗作為一個優(yōu)先課題。我創(chuàng)造了一個“Gene’s Law”定律，意思是，為了迎合客戶的需求，我們平均每兩年就要把功耗降低一半，TI也一直很果敢地擔當著這個重任。TMS320C54x產(chǎn)品誕生后，我們實現(xiàn)了讓手機通話時間持續(xù)幾個小時，待機時間持續(xù)數(shù)天。

1992年，世界上首個GSM網(wǎng)絡(luò)開始部署，并且承諾將要實現(xiàn)低成本、無處不在和便攜通訊。

十年后，全球手機用戶量達到了10億部，而到了今天，這個數(shù)字變成了50多億。從最初只支持語音通話的簡單移動電話，變成了如今一個支持語音與數(shù)據(jù)的多媒體平臺。要在同樣的功耗下將手機和基站的性能提升10倍，這對于TI來說又是一個巨大的挑戰(zhàn)。隨著用戶界面和應(yīng)用程序越來越重要，TI為手機研發(fā)了第一套多媒體處理器，運用OMAP應(yīng)用平臺。它其中包含卓越的通用處理器、圖形和數(shù)字信號處理等功能，應(yīng)用于高質(zhì)量相機、高清視頻和音樂。

融入到每一部數(shù)字處理系統(tǒng)

也許有人會覺得DSP作為一個產(chǎn)品，從一文不值到創(chuàng)造每年數(shù)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。它并沒有銷聲匿跡，只是融入到了每一部數(shù)字處理系統(tǒng)中而已。

為什么這么說呢，因為我們在IC技術(shù)中所做的努力已經(jīng)允許在硅芯片中嵌入DSP。曾經(jīng)的DSP是非常大的，而如今卻小到幾乎看不見。首個可編程DSP TMS32010將其裸片的四分之一用于乘法器，而現(xiàn)在的乘法器如此的小就像曾經(jīng)用過的接合墊。DSP的核心理論現(xiàn)在也可以在嵌入式處理器世界中獲得更大的發(fā)揮價值。

從另一個角度看來，我們也在針對特定市場的需求為我們的信號處理器進行著優(yōu)化。與其說我們打造了一條DSP產(chǎn)品線，不如說我們打造了一條通信信號處理器、音頻信號處理器、視頻信號處理器、圖像信號處理器和馬達控制處理器的產(chǎn)品線，所有這些都能采用DSP的理論和硬件。

很顯然，下一步是很關(guān)鍵的，就是我們要將DSP集成在各種系統(tǒng)處理器（像ARM）、各種加速器和外設(shè)中，通過集成化這些元素，我們就創(chuàng)造出了完整的嵌入式處理器的系統(tǒng)解決方案。所以信號處理的歷史，從發(fā)現(xiàn)DSP理論到目前為止，可以總結(jié)為信號處理理論到信號處理器產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，甚至是到嵌入式處理器系統(tǒng)的使能器的轉(zhuǎn)變。

而DSP的第三個發(fā)展方向是創(chuàng)造了多線程處理架構(gòu)。隨著具有特定應(yīng)用的系統(tǒng)漸漸興起，從可編程的處理器轉(zhuǎn)向可配置處理器，再到單功能處理器，這些都是合理的。因為實際信號的平行性，這種轉(zhuǎn)移到固定功能單元是普遍的。在RISC處理器與多種可配置IP模塊組合后的控制下，一個嶄新的嵌入式處理系統(tǒng)出現(xiàn)了。

這與一臺設(shè)備中有多個完全相同的處理器概念是不同的，這個信號處理的世界是雖然符合阿姆達爾定律（阿姆達爾定律的主要觀點是隨著系統(tǒng)中處理器的不斷增加，系統(tǒng)的速度將會趨于穩(wěn)定）的世界，但這個世界又是一個特例，因為該系統(tǒng)可以被拆成數(shù)個小的專用并行處理單元。而這些單功能的加速器具有更高的性能、更低的功耗和更低的成本，使得系統(tǒng)更加的穩(wěn)定易用。

這三項重大的研發(fā)成果把我們帶到了今天，這是一個多么令人興奮的時代，系統(tǒng)設(shè)計師們?nèi)匀辉趯ふ抑跷覀兿胂蟮臋C遇。在客戶方面看來：技術(shù)允許DSP成為高度優(yōu)化的解決方案的一部分，滿足了他們差異化的需求，與那個微處理器的只有一種通用型號的時代形成了鮮明對比。有了高度優(yōu)化的SoC，我們可以提供更高的性能、更低的功耗和更低的成本。

DSP技術(shù)未來前景

通過提升處理器的性能，我們還可以探索一些我們過去沒有考慮到的新信號。例如，即將引入的3D圖像和視頻分析。的確，這些概念已經(jīng)存在很多年了，但是我們現(xiàn)在才有足夠的處理性能來精確地做一些得心應(yīng)手的處理。

我親身經(jīng)歷了從DSP誕生，幫助其成長，到眼見其成熟。我也見證了從當初的一個器件到如今的每個器件中都有DSP的技術(shù)。

通過TI的DSP技術(shù)，我們很快將會看到，現(xiàn)在那些很笨重很昂貴的醫(yī)療設(shè)備通過TI DSP技術(shù)將會變得小到可以拿在內(nèi)科醫(yī)生和急診醫(yī)生的手中；便攜超聲儀器將很快應(yīng)用于阿富汗和伊拉克的野戰(zhàn)醫(yī)院中，它們也將改變印度和中國的醫(yī)療保健現(xiàn)狀；空調(diào)等家用電器進行了調(diào)速電動機控制以后，效能正在發(fā)生戲劇性的改進。

這些都是真正激動人心的偉大時刻。TI的DSP技術(shù)正在讓人們的生活更健康、安全、環(huán)保、智能，也更有樂趣。而且，就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。