数字信号处理发展现状及趋势

如题所述

从TI第一颗DSP诞生至今已有25年,成就了无数辉煌。多核、SoC的发展方向使DSP将继续高速成长,同时,它的发展也正在面临来自FPGA、ASIC的挑战。

DSP概念最早出现在上个世纪60年代,到70年代才由计算机实现部分实时处理,当时主要用于高尖端领域。由于DSP技术与大量运算相关,每秒完成百万条指令运算就变为一个新的单位MIPS(每秒百万条指令)。80年代,有些公司陆续设计出适合于DSP处理技术的处理器,于是DSP开始成为一种高性能处理器的名称。TI在1982年发布了第一颗DSP芯片,名为TMS32010,这是一个处理速度达5个MIPS的处理器。

加入TI公司有12个年头的清华才俊郑小龙,从技术应用工程师打拼到负责DSP在中国的销售业务,熟谙DSP圈里的事。他谈起了DSP诞生的故事:

那时只有两种处理器,一种是作为PC核心的CPU,另一种是微控制器MCU。这两种处理器的在进行大量运算时都面临技术瓶颈,业内就在考虑“是不是需要一种高速的数字信号处理的器件”。那个时候,数字信号处理的理论已经有了,像滤波器、编码解码等对于乘加结构要求很高,如果用CPU来处理的话,指令非常多、效率比较低;而如果在处理器中就有这样一个乘加结构,数字滤波器就可以实现实时的处理结果。

DSP刚开始出现时,采用了NMOS工艺,然后由于功耗的原因,很快转到CMOS,例如C54、C55等型号中的“C”就表示CMOS。那个时候成本还是比较高的,实现每个MIPS的成本高达10~100美元,成为商品化的障碍。

发展轨迹:DSP历史的三个阶段

TI首席科学家兼DSP业务开发经理方进 (Gene Frantz)在年前接受电子工程专辑采访时曾这样说过,“DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段:第一阶段,DSP意味着数字信号处理,并作为一个新的理论体系广为流行;随着这个时代的成熟,DSP进入了发展的第二阶段,在这个阶段,DSP代表数字信号处理器,这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化;接下来又催生了第三阶段,这是一个赋能(enablement)的时期,我们将看到DSP理论和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。”

80年代开始了第二个阶段,DSP从概念走向了产品,TMS32010所实现的出色性能和特性备受业界关注。方进先生在一篇文章中提到,新兴的DSP业务同时也承担着巨大的风险,究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10美元范围时,DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。到1991年,TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片,首次实现批量单价低于5美元,但所能提供的性能却是其5至10倍。

到90年代,多家公司跻身DSP领域与TI进行市场竞争。TI首家提供可定制 DSP——cDSP,cDSP 基于内核 DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度,大加速了产品的上市时间。同时,TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域。到90年代中期,这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等,其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。这时,DSP业务也一跃成为TI最大的业务,这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围。

21世纪DSP发展进入第三个阶段,市场竞争更加激烈,TI及时调整DSP发展战略全局规划,并以全面的产品规划和完善的解决方案,加之全新的开发理念,深化产业化进程。成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。

DSP演进图:性能、价格、功耗是不变的追求

无疑,CMOS工艺的改变大大降低了功耗,而且随着工艺节点从3微米、0.8微米、0.1微米以及未来的纳米工艺,低功耗是DSP一个不变的特性。同时,DSP的主频不断得到提升,从开始的5MHz,到100MHz、200MHz。

“一个关键的转折点出现在90年代中期,TI开发出多并行处理结构,1997年推出了C6000 DSP,有8个并行运算单元,原来每个单元性能可达200MPS,这样一下子提高了8倍到1600 MIPS。” 这些运算单元可以有不同的组合,分为2组、每组4个,包括逻辑处理、数字处理、乘法运算、移位处理四类单元,分别适合不同的应用。这一时期,DSP已广泛用于数据通信、海量存储、语音处理、消费音视频产品等,特别是在蜂窝电话领域的成功。郑小龙说道,“今天针对基站应用的C6?16主频达到1.1GHz、处理能力超过8000MIPS。”

性能、价格、功耗永远是DSP追求的目标。在这个目标的驱动下,每隔十年DSP的性能、规模、工艺、价格等就会发生一个跃迁。如表1所示,DSP的演进同样遵循着摩尔定律,伴随着集成度的不断提高,是性能的提升、价格的下降。

表1:每隔十年DSP性能、规模、工艺、价格的变动。

针对DSP功耗的变动趋势,存在一个Gene定律。从图1可见,1982年每MIPS的功耗为250mW,到1992下降为12.5mW,而到2000年仅为0.1mW,2004年到0.01mW,而预计2010年将挑战0.001mW。Gene定律认为,DSP功耗性能比每隔5年将降低10倍。
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