DSP芯片的前世今生_芯片_暗记

来源：内容来自东兴证券、半导体行业不雅观察，感激。

DSP 即数字旗子暗记处理技能， DSP 芯片即指能够实现数字旗子暗记处理技能的芯片。
DSP芯片是一种快速强大的微处理器，独特之处在于它能即时处理资料。
DSP 芯片的内部采取程序和数据分开的哈佛构造，具有专门的硬件乘法器，可以用来快速的实现各种数字旗子暗记处理算法。
在当今的数字化时期背景下， DSP 己成为通信、打算机、消费类电子产品等领域的根本器件。

DSP 芯片的出身是时期所需。
20 世纪 60 年代以来，随着打算机和信息技能的飞速发展，数字旗子暗记处理技能应运而生并得到迅速的发展。
在 DSP 芯片涌现之前数字旗子暗记处理只能依赖微处理器来完成。
但由于微处理器较低的处理速率烦懑，根本就无法知足越来越大的信息量的高速实时哀求。
因此运用更快更高效的旗子暗记处理办法成了日渐急迫的社会需求。

上世纪 70 年代， DSP 芯片的理论和算法根本已成熟。
但那时的 DSP 仅仅勾留在教科书上，纵然是研制出来的 DSP 系统也是由分立元件组成的，其运用领域仅局限于军事、航空航天部门。

1978 年， AMI 公司发布天下上第一个单片 DSP 芯片 S2811，但没有当代 DSP芯片所必须有的硬件乘法器；

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1979 年， 美国 Intel 公司发布的商用可编程器件 2920 是 DSP 芯片的一个紧张里程碑，但其依然没有硬件乘法器；

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1980 年，日本 NEC 公司推出的 MPD7720 是第一个具有硬件乘法器的商用 DSP芯片，从而被认为是第一块单片 DSP 器件。

DSP 芯片的出身过程

1982 年天下上出身了第一代 DSP 芯片 TMS32010 及其系列产品。
这种 DSP 器件采取微米工艺 NMOS 技能制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速率却比微处理器快了几十倍。
DSP 芯片的问世是个里程碑，它标志着 DSP 运用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。
至 80 年代中期，随着 CMOS 工艺的 DSP 芯片应运而生，其存储容量和运算速率都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技能的根本。

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80 年代后期，第三代 DSP 芯片问世。
运算速率进一步提高，其运用范围逐步扩大到通信、打算机领域；

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90 年代 DSP 发展最快，相继涌现了第四代和第五代 DSP 芯片。
第五代与第四代比较系统集成度更高，将 DSP 芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。

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进入 21 世纪后，第六代 DSP 芯片横空出世。
第六代芯片在性能上全面碾压第五代芯片，同时基于商业目的的不同发展出了诸多个性化的分支，并开始逐渐拓展新的领域。

DSP 芯片的运用领域

DSP 芯片强调数字旗子暗记处理的实时性。
DSP 作为数字旗子暗记处理器将仿照旗子暗记转换成数字旗子暗记，用于专用途理器的高速实时处理。
它具有高速，灵巧，可编程，低功耗的界面功能，在图形图像处理，语音处理，旗子暗记处理等通信领域起到越来越主要的浸染。

DSP芯片在市场上的运用情形

运用 DSP 的领域较多， 未来新运用领域有望层出不穷。
根据美国的威信资讯公司统计，目前 DSP 芯片在市场上运用最多的是通信领域， 占 56.1％；其次是打算机领域，占 21.16％；消费电子和自动掌握占 10.69％；军事／航空占 4.59％；仪器仪表占 3.5％；工业掌握占 3.31％；办公自动化占 0.65％。

DSP芯片的运用领域

1）DSP 芯片在多媒体通信领域的运用。

媒体数据传输产生的信息量是巨大的，多媒体网络终端在全体过程中须要对获取的信息量进行快速剖析和处理，因此 DSP 被利用在语音编码，图像压缩和减少语音通信上。
如今 DSP 对付语音解码打算产生实时效果，设计协议哀求已经成为最基本的一条国际标准。

2）DSP 芯片在工业掌握领域的运用。

在工业掌握领域， 工业机器人被广泛运用，对机器人掌握系统的性能哀求也越来越高。
机器人掌握系统重中之重便是实时性，在完成一个动作的同时会产生较多的数据和打算处理，这里可以采取高性能的 DSP。
DSP通过运用到机器人的掌握系统后，充分利用自身的实时打算速率特性，使得机器人系统可以快速处理问题，随着不断提高 DSP 数字旗子暗记芯片速率，在系统中随意马虎构成并行处理网络，大大提高掌握系统的性能，使得机器人系统得到更为广泛的发展。

3）DSP 芯片在仪器仪表领域的运用。

DSP 丰富的片内资源可以大大简化仪器仪表的硬件电仪路，实现仪器仪表的 SOC 设计。
器仪表的丈量精度和速率是一项主要的指标，利用 DSP 芯片开拓产品可使这两项指标大大提高。
例如 TI 公司的 TMS320F2810 具有高效的 32 位 CPU 内核，12 位 A/D 转换器，丰富的片上存储器和灵巧的指挥系统，为高精密仪器搭建了广阔的平台。
高精密仪器现在已经发展成为 DSP 的一个主要运用，正处于快速传播期间，将推动家当的技能创新。

美国德州仪器公司的 TMS320 芯片

3）DSP 芯片在汽车安全与无人驾驶领域的运用。

汽车电子系统日益茂盛发达起来，诸如装设红外线和毫米波雷达，将需用 DSP 进行剖析。
如今，汽车愈来愈多，防冲撞系统已成为研究热点。
而且，利用摄像机拍摄的图像数据须要经由 DSP 处理，才能在驾驶系统里显示出来，供驾驶职员参考。

4）DSP 芯片在军事领域的运用。

DSP 的功耗低、体积小、实时性反应速率都是武器装备中特殊须要的。
如机载空空导弹，在有限的体积内装有红外探测仪和相应的 DSP旗子暗记处理器等部分，完成目标的自动锁定与跟踪。
前辈战斗机上装备的目视瞄准器和步兵个人携带的头盔衰落光仪，需用 DSP 技能完成图像的滤波与增强，智能化目标搜索捕获。
DSP 技能还用于自动火炮掌握、巡航导弹、预警飞机、相控阵天线等雷达数字旗子暗记处理中。

高端市场被国外公司垄断

目前， 天下上 DSP 芯片制造商紧张有 3 家：德州仪器（TI）、 仿照器件公司（ADI）和摩托罗拉（Motorola） 公司，个中 TI 公司独占鳌头， 霸占绝大部分的国际市场份额， ADI 和摩托罗拉公司也有一定市场。

德州仪器公司（TI） 是 DSP 业界公认的龙头老大， 公司在 1982 年成功推出了其第一代 DSP 芯片 TMS32010，由于 TMS320 系列 DSP 芯片具有价格低廉、大略易用、功能强大等特点，以是逐渐成为目前最有影响、最为成功的 DSP 系列处理器。

在 TI公司主打的三个系列中， c2000 系列现在所占市场份额较小，如今 TI 官网上的 DSP产品紧张以 c6000 与 c5000 为主。
TI 的三大主力 DSP 产品系列为 C2000 系列紧张用于数字掌握系统； C5000（C54x、 C55x）系列紧张用于低功耗、便携的无线通信终端产品； C6000 系列紧张用于高性能繁芜的通信系统。
C5000 系列中的TMS320C54x 系列 DSP 芯片被广泛运用于通信和个人消费电子领域。

C6000 系列主打产品为： C6000 DSP+ARM 处理器(12)——OMAP-L1x (5)、66AK2x (7)； C6000 DSP (94)——C674xDSP (5)、 C66x DSP (11)

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C5000 系列主打产品为： C55x 超低功耗 DSP，为超低功耗的紧凑型嵌入式产品供应高效的旗子暗记处理。

TI 公司的 DSP 产品紧张运用范围在机器视觉、航空电子和国防、尺寸、重量和功耗（SWAP）、音频、视频编码/解码与生物识别领域。

TI 公司官网上的主打的四款 DSP 芯片产品

目前， ADI 公司有六款主打产品，分别运用在语音处理、图像处理、过程掌握、测控与丈量等领域。

ADI 公司主打 DSP 产品及运用领域

摩托罗拉公司也是环球较大的 DSP 芯片生产商，其产品包括定点的和浮点的，专用的和通用的， 16 位和 24 位以及 32 位。
DSP 芯片紧张运用于语音处理、通信、数字相机、多媒体、掌握等领域。
主打产品有 DSP56000 系列、 DSP56800 系列、DSP56800E 系列、 MSC8100 系列、 DSP56300 系列等。

未来 DSP 技能将向以下几个方面连续发展与更新：

1）DSP 芯核集成度越来越高。

缩小 DSP 芯片尺寸一贯是 DSP 技能的发展趋势，当前利用较多的是基于 RISC 构造，随着新工艺技能的引入，越来越多的制造商开始改进DSP 芯核，并且把多个 DSP 芯核、 MPU 芯核以及外围的电路单元集成在一个芯片上，实现了 DSP 系统级的集成电路。

2）可编程 DSP 芯片将是未来主导产品。

随着个性化发展的须要， DSP 的可编程化为生产厂商供应了更多灵巧性，知足厂家在同一个 DSP 芯片上开拓出更多不同型号特色的系列产品，也使得广大用户对付 DSP 的升级换代。
例如冰箱、洗衣机，这些原来装有微掌握器的家电如今已换成可编程 DSP 来进行大功率电机掌握。

3）定点 DSP 霸占主流。

目前，市场上所发卖的 DSP 器件中，霸占主流产品的依然是16 位的定点可编程 DSP 器件，随着 DSP 定点运算器件本钱的不断低，能耗越来越小的上风日渐明显，未来定点 DSP 芯片仍将是市场的主角。

FPGA芯片与DSP芯片的相爱相杀

FPGA 即现场可编程门阵列， 它是作为专用集成电路（ASIC） 领域中的一种半定制电路而涌现的，既办理了定制电路的不敷，又战胜了原有可编程器件门电路数有限的缺陷。
有了 FPGA 芯片， 可以用程序编一个新发明的 CPU 内核出来，嵌到 FPGA 芯片中去， 并且可以嵌入多个。

FPGA的基本架构

国际 FPGA 市场被四大巨子垄断， 分别是赛灵思、阿尔特拉、美高森美以及莱迪思。
阿尔特拉和赛灵思是 FPGA 的发明者，个中阿尔特拉于 1983 年发明天下上第一款可编程逻辑器件，赛灵思于 1985 年公司推出的环球第一款 FPGA 产品 XC2064。
根据2017 年公司财务数据统计，赛灵思营收 23.49 亿美元， 阿尔特拉（被英特尔收购）为 19.02 亿美元，美高森美 FPGA 业务为 4.21 亿美元，莱迪思为 3.86 亿美元。
赛灵思和阿尔特拉两家公司险些霸占了全体国际市场的 90%。

2017 年 FPGA 四巨子市场霸占率

FPGA 芯片与 DSP 芯片是有差异的。
DSP 是专门的微处理器，适用于条件进程，特殊是较繁芜的多算法任务。
FPGA 包含有大量实现组合逻辑的资源，可以完成较大规模的组合逻辑电路设计，同时还包含有相称数量的触发器，借助这些触发器， FPGA又能完成繁芜的时序逻辑功能。

2016 年 FPGA 芯片的运用领域

FPGA 芯片与 DSP 芯片是有差异的。
DSP 是专门的微处理器，适用于条件进程，特殊是较繁芜的多算法任务。
FPGA 包含有大量实现组合逻辑的资源，可以完成较大规模的组合逻辑电路设计，同时还包含有相称数量的触发器，借助这些触发器， FPGA又能完成繁芜的时序逻辑功能。

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FPGA 芯片与 DSP 芯片的比较

在既强调构造灵巧、 通用性，以及处理繁芜算法的需求下，每每将 DSP 和 FPGA 联合起来，采取 DSP+FPGA 构造， 或者将 DSP 模块嵌入的 FPGA 芯片中，这也是未来设计的一种趋势。

告别无“芯”之痛， 国产 DSP 获打破

“核高基”重大专项从国家层面大力推动国产高端芯片的研发。
2006 年，国务院颁布了《国家中长期科学和技能发展方案纲要（2006 年-2020 年）》，“核心电子器件、高端通用芯片及根本软件产品”（简称“核高基重大专项”）位列 16 个科技重大专项首位，也被称之为“01 专项”。

专项的履行极大地提升了我国集成电路家当的发展速率。
2001~2016 年间，我国集成电路市场规模由 1260 亿元增加至约 12000 亿元，占环球市场份额的将近 60%，家当发卖额扩大超过 23 倍，由 188 亿元扩大至 4336 亿元。
海内对 DSP 方面的研究起步较晚，但是发展较快。
中电科 14 所承担起研发 DSP 芯片的任务。

10 年磨一剑， 14 所跟龙芯公司、清华大学互助开拓国产 DSP 芯片华睿 1号在 2012 年通过核高基专项组验收。
华睿 1号成功运用于 14所十多型雷达产品中，创造了国产多核 DSP 芯片产品运用的“三个之最”： 雷达装备运用型号最多、单台套运用数量最多和总运用数量最多。
目前， 华睿 2 号已成功研制出，并已经通过所内测试，并将很快推向市场。
下一步， 14 所操持将在华睿 3 号上采取更为前辈的制造工艺，进一步提高主频， 提高通用性能， 在专用性能方面采取流处理器办法，提高专用打算的性能，同时降落功耗。

“华睿 1 号”代表海内 DSP 芯片工艺最高水平。
在处理系统设计方面采取了 DSP 和CPU 多核架构设计技能， 实测表明， “华睿 1 号”的处理能力和能耗具有明显上风，运行多任务实时操作系统十分稳定，芯片的整体技能指标达到或优于国际同类产品水平。
华睿 1号补充了我国在多核DSP领域的空缺，对提高我国高端芯片的自主研发能力、提升我国电子整机装备研制水平、保障国家信息安全等方面具有重大意义与影响。

华睿芯片

魂芯 1 号是由中国电子集团第 38 所吴曼青团队研制成功的， 2012 年完成测试。
魂芯一号（BWDSP100） 是一款 32 位静态超标量处理器， 属于 DSP 第二发展阶段的产品。
该芯片基于 55nm 制作工艺实现的，具有完备自主知识主权。

魂芯一号

魂芯 1 号达到国际主流 DSP 芯片水平，与美国仿照器件公司（ADI） TS201 芯片新能附近。
TS201 是 ADI 公司的一款主流 DSP 芯片， 它集成了定点和浮点打算功能的高速 DSP。
该处理器广泛运用于视频、通信市场和国防军事装备中，适宜于大数据量实时处理的运用领域。

魂芯 1 号与 TS201 特性比拟

魂芯 1 号是一款高性能通用 DSP，可广泛运用于各种高性能旗子暗记处理领域， 范例的整机装备运用包括雷达、声纳、电子对抗等。

魂芯 2 号 A 刚刚发布， 单核性能超过当前国际同类芯片性能 4 倍。
2018 年 4 月 23日， 中国电科 38 所发布了 魂芯 2 号 A， 该芯片采取全自主体系架构，研发历时 6年， 相对付魂芯 1 号，魂芯 2 号 A 性能提升了 6 倍，通过单核变多核、扩展运算部件、升级指令系统等手段，使器件性能千亿次浮点运算同时，具有相对良好的运用环境和调试手段；单核实现 1024 浮点 FFT （快速傅里叶变换）运算仅需 1.6 微秒，运算效能比德州仪器公司 TMS320C6678 高 3 倍，实际性能为其 1.7 倍，器件数据吞吐率达每秒 240Gb。

DSP 芯片在民用信息领域市场空间巨大

DSP 芯片支持通信、打算机和消费类电子产品的数字化领悟。
在无线领域 DSP 遍及无线交流设备、基站和手持终端； 在网络领域， DSP 涵盖从根本举动步伐到宽带入户设备， 包括 IP 网关和 IP 电话和电缆调制解调器等。
随着中国数字消费类产品需求的大幅增长，以及 DSP 对数字旗子暗记高速运算与同步处理能力的提高， DSP 的运用领域将逐渐从移动电话领域扩展到新型数字消费类领域，从而运用领域横跨 3C，且分布将日趋均衡。

DSP 芯片在智好手机中扮演主要角色。
DSP 芯片可以为移动电话带来更好的语音、音频、图像体验，可以极大提升手机单项功能的能力， 让手机运行速率更快。
由于DSP 具有强大的打算能力，使得移动通信的蜂窝电话迅速崛起，并创造了一批诸如GSM、 CDMA 等全数字蜂窝电话网。
同时 DSP 芯片是移动电话等电子产品更新换代的主要决定成分。
工信部数据显示， 2017 年，移动电话用户净增 9555 万户，总数达 14.2 亿户，移动电话用户遍及率达 102.5 部/百人，比上年提高 6.9 部/百人， 移动电话需求量的稳步上升将引致 DSP 芯片等集成电路的大量需求。

2000~2017 年固定电话、移动电话用户发展情形

移动宽带需求量与 DSP 需求量呈正向变动。
基于 DSP 的 ADSL 和 HFC 作为两种最常用的宽带接入技能，同时，基于 DSP 的通用系统可以实现无线接入点通信系统，具有较好的开放性， 配置灵巧， 可扩展性强，因此移动宽带需求量与 DSP 需求量呈正向变动。
截止 2017 年年底，三家根本电信企业的固定互联网宽带接入用户总数达3.49 亿户，整年净增 5133 万户。
移动宽带用户（即 3G 和 4G 用户）总数达 11.3 亿户，整年净增 1.91 亿户，占移动电话用户的 79.8%。
随着移动宽带的遍及推广未来DSP 市场需求可期。

2000~2017 年移动宽带用户 3G、 4G发展情形

IPTV 等数字消费类产品的需求日益扩展，新型数字消费领域 DSP 芯片未来市场需求可期。
基于 DSP＋FPGA 的网关实现方案可以将数字电视旗子暗记转换为组播旗子暗记， 实现有线电视业务与电话语音业务、打算机互联网业务的领悟。
近年来，国家大力出台扶持政策、加快造就新兴 IPTV、物联网、聪慧家庭等业务。
2017 年末， IPTV 用户数达到 1.22 亿户，整年净增 3545 万户。