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DSP（數(shù)字信號處理器）與CPU、GPU和FPGA同屬于四大主流處理器系列，雖然已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機、家電、汽車、高鐵、工業(yè)控制、無人機等諸多領(lǐng)域，但與其他處理器系列相比，明顯低調(diào)許多，甚至各類控制器、SoC、FPGA正在與其爭奪生存空間。與CPU相比，它功能更專一，比FPGA計算效率更高，明明有“一技之長”，為什么一直默默無聞？我國DSP發(fā)展現(xiàn)狀如何？突破的瓶頸是什么？未來走向如何？與非研究院就此進行深入分析。
國產(chǎn)DSP需求與供應(yīng)反差巨大
DSP適用于系統(tǒng)較低取樣速率、低數(shù)據(jù)率、多條件操作、處理復雜的多算法任務(wù)，能夠快速實現(xiàn)對信號的采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合需要的信號形式。在數(shù)字化時代背景下，DSP己成為通信、計算機、消費電子等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。
數(shù)據(jù)顯示，2020年我國DSP芯片市場規(guī)模達到136.92億元，需求量達到34.15億顆。而國內(nèi)DSP芯片產(chǎn)量，到2020年，達到0.91億顆，雖然相比2015年的0.28億顆，翻了大約3倍之多，但是仍然與龐大的市場規(guī)模和需求量形成巨大反差，體現(xiàn)出了強勁的增長潛力和迫切的增長需要。
2015-2020年中國DSP芯片行業(yè)市場規(guī)模及需求量統(tǒng)計
（來源：智研咨詢）
2015-2020年我國DSP芯片產(chǎn)量走勢圖
（來源：智研咨詢）
數(shù)字信號處理器并非只局限于音視頻領(lǐng)域，它廣泛應(yīng)用于通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫(yī)療、家用電器等許多領(lǐng)域。從消費結(jié)構(gòu)來看，通信領(lǐng)域是DSP芯片最大的應(yīng)用領(lǐng)域，2020年占比為56.1%，其次是消費電子級自動控制領(lǐng)域（13.10%）、軍事及航天航空領(lǐng)域（6.01%）及儀表儀器領(lǐng)域等（24.79%）。
國產(chǎn)DSP技術(shù)體系和基本概況
我國DSP芯片消費量遠遠高于產(chǎn)量，主要因為該領(lǐng)域一直被德州儀器 (TI)、亞德諾半導體（ADI）、恩智浦（NXP）等國外廠商主導，這些廠商積累了多年的硬件研發(fā)經(jīng)驗和完善的軟件開發(fā)環(huán)境，用戶生態(tài)較為完備。我國發(fā)展DSP起步較晚，在軍用雷達等領(lǐng)域形成了較高的國產(chǎn)化程度，但是在民用市場亟需突破。
與非研究院統(tǒng)計了當前國內(nèi)主要DSP企業(yè)/機構(gòu)的基本情況，如下：
國內(nèi)主要DSP企業(yè)/機構(gòu)概況
（來源：與非研究院，據(jù)公開資料和官網(wǎng)信息整理）
上述企業(yè)/機構(gòu)為我國DSP芯片的發(fā)展做出了貢獻。其中，國家專用集成電路設(shè)計工程技術(shù)研究中心自上世紀九十年代開始，致力于高性能DSP的研究工作。2000 年起，該中心承擔了多項國家重大任務(wù)，自主研制成功一系列填補我國多項空白的DSP產(chǎn)品。近年來，該中心根據(jù)當前DSP領(lǐng)域的算法需求，提出了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的AppAISArc指令體系結(jié)構(gòu)，于2014年底研制出了支持該體系結(jié)構(gòu)的5核代數(shù)運算微處理器（Mathematics Process Unit，MaPU）產(chǎn)品，峰值計算能力為3000億次/s。該中心還規(guī)劃陸續(xù)推出基于該體系結(jié)構(gòu)、滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的MaPU系列產(chǎn)品，最高達每秒萬億次的計算能力。
中國電科旗下14所與38所分別研發(fā)了“華睿”和“魂芯”系列的DSP芯片。2018年4月，中電科38所的魂芯2號A問世，根據(jù)官方資料，一秒鐘能完成千億次浮點操作運算，單核性能超過同類芯片4倍。2020年5月，中電科14所牽頭研造的華睿2號DSP成功通過“核高基”課題正式驗收。芯片主頻為1GHz，每秒可完成4000億次浮點運算。根據(jù)規(guī)劃，華睿3號將具備萬億次運算能力，進一步向高端芯片領(lǐng)域進軍。
湖南進芯電子也屬于國內(nèi)較早從事DSP研發(fā)的企業(yè)，已成功研制并量產(chǎn)出了以ADP32、AVP32、ADP16為代表的32位定點運算、32位浮點運算及16位定點運算數(shù)字信號處理器產(chǎn)品系列，在工業(yè)控制等領(lǐng)域帶來了更高效、可靠的應(yīng)用，并降低了開發(fā)使用成本。
江蘇宏云在MCU、DSP、OFDM通信技術(shù)方面都有儲備，推出了單核MCU和MCU+DSP雙核平臺，以及用于移動設(shè)備快速充電，電機控制等MCU、DSP SoC芯片，在MCU/DSP架構(gòu)和指令、移動設(shè)備的快速充電管理，以及電力線載波通信等領(lǐng)域都申請了多項發(fā)明專利。
近兩年，在我國大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的背景下，一批新的IC設(shè)計企業(yè)成立，DSP領(lǐng)域目前以青島本原、中科昊芯為主要代表。青島本原核心團隊源于中科院，致力于提供高端DSP芯片及解決方案，聚焦新一代高性能領(lǐng)域處理芯片（DSA）和人工智能芯片研發(fā)。
中科昊芯是中科院科技成果轉(zhuǎn)化企業(yè)，主要基于開源指令集架構(gòu)RISC-V打造DSP產(chǎn)品，目標應(yīng)用于圖形圖像處理、數(shù)字信號處理、工業(yè)控制及電機驅(qū)動、數(shù)字電源、消費電子、白色家電等領(lǐng)域。
從以上企業(yè)/機構(gòu)所處地域來看，分布較為均衡，北京4家，江蘇2家，上海、山東、安徽、湖南、廣東各1家。
國內(nèi)主要DSP企業(yè)/機構(gòu)地域分布情況
（來源：與非研究院）
獨立DSP弱化，被集成成為主流方向
DSP技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了4個階段：
??? ?第一階段：單核、單運算部件時代，器件內(nèi)部有一個專用硬件乘法器，一個有運算能力的地址發(fā)生器，體系上主要采用哈佛結(jié)構(gòu)；
??? ?第二階段：多運算部件階段，隨著DSP應(yīng)用不斷深入，系統(tǒng)對信號處理運算能力要求快速增加，提高DSP器件運算能力成為主要目標，而增加器件內(nèi)部運算部件數(shù)是提高運算能力的一種最直接、有效的手段；
??? ?第三階段：同構(gòu)多核階段，多核處理器允許各個處理器核完成不同任務(wù)，增加了處理器應(yīng)用的靈活性；
??? ?第四階段：異構(gòu)多核階段，隨著工藝技術(shù)進一步提升，在一個芯片上集成不同處理器核成為可能，例如：CPU側(cè)重通用數(shù)據(jù)處理、DSP側(cè)重數(shù)據(jù)實時計算，二者結(jié)合則可以更大提升處理效率。
歷數(shù)DSP全球領(lǐng)先廠商TI、ADI的數(shù)代產(chǎn)品更新，幾乎都經(jīng)歷了這些發(fā)展。經(jīng)過數(shù)代產(chǎn)品更迭，DSP目前主要形成兩種產(chǎn)品形態(tài)：一種是單芯片，另一種是以IP或處理單元的形式集成在SoC中。伴隨多核異構(gòu)趨勢的發(fā)展，單芯片、獨立DSP正在越來越多地轉(zhuǎn)向SoC的一個處理單元。
這一點，也可以從上游IP授權(quán)商的商業(yè)策略上得到驗證。全球DSP IP排名第一的授權(quán)商CEVA，從最初關(guān)注DSP編程，已經(jīng)轉(zhuǎn)為關(guān)注整個生態(tài)系統(tǒng)，在為DSP的應(yīng)用搭建一個更大的平臺。目前，CEVA主要有兩種服務(wù)方式，一種是通過IP授權(quán)給IDM、間接服務(wù)于OEM，另一種是通過提供開發(fā)工具、技術(shù)支持和軟件直接或者間接為OEM服務(wù)。從生態(tài)體系、價值供應(yīng)鏈上進一步拓展DSP的應(yīng)用市場。
來源：CEVA
與非研究院認為，使DSP獨立芯片形式弱化的另一個重要推手是FPGA。從器件原理來看，DSP性能依賴于快速地執(zhí)行大量乘法/累加運算 (MAC) 的能力，單芯片 DSP 具有多個硬件乘法器/累加器單元和附加功能單元。設(shè)備所擁有的 MAC 單元越多，執(zhí)行DSP操作的速度就越快，因為大多數(shù)DSP算法都包含多個MAC單元，可以利用許多固有并行性。
隨著兩大FPGA供應(yīng)商Xilinx（已被AMD收購）、Altera（已被Intel收購）紛紛在FPGA中添加了硬化MAC塊之后，F(xiàn)PGA成了DSP的重要競爭對手。第一個集成快速硬件乘法器的 FPGA器件系列是Xilinx Virtex-II FPGA系列。2001年7月，Xilinx 宣布已經(jīng)出貨了價值 100 萬美元的 Virtex-II XC2V6000 FPGA，每個 FPGA 都有 144 個硬化的片上 18×18 位乘法器。這也意味著，包含硬件乘法器的FPGA性能已經(jīng)超過了當時存在的單芯片DSP。
Altera隨后于 2002 年發(fā)布了其第一代具有 36×36 位硬件乘法器的 Stratix FPGA。Stratix FPGA 中的硬件乘法器可拆分為 18×18 位或 9×9 位乘法器，以允許更多的 MAC 運算。在本世紀之初，Xilinx 和 Altera的FPGA系列在可以執(zhí)行的同步 MAC 操作數(shù)量上已經(jīng)遠遠超過單芯片 DSP。
不過，DSP仍以明顯的功耗、成本優(yōu)勢，尤其是在消費領(lǐng)域，繼續(xù)針對市場需求推出專用的DSP產(chǎn)品。雖然DSP不斷失去其作為獨立芯片的特性，但事實上已經(jīng)成為整個半導體產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動力量。DSP內(nèi)核在SoC中的應(yīng)用非常普遍，它們雖然沒有被看做是DSP芯片，但已經(jīng)成為了底層的基礎(chǔ)技術(shù)。
DSP未來趨勢及主要增長點
高速、高密集的數(shù)據(jù)處理需求，正在不斷挑戰(zhàn)著DSP的性能極限。未來，DSP技術(shù)將呈現(xiàn)五大發(fā)展趨勢：
?? ? 第一，DSP的集成，越來越多的器件需要內(nèi)嵌DSP功能，實現(xiàn)形態(tài)包括：DSP核或硬件DSP單元。
?? ? 第二，隨著實時算法復雜度的增加、對更多字長和更大的動態(tài)范圍的需求、產(chǎn)品開發(fā)和上市時間的縮短，以及浮點算法成本的不斷下降，推動DSP定點算法向浮點算法轉(zhuǎn)化。
?? ? 第三，低功耗。DSP并非運算性能越高越好，而是需要追求性能和功耗的平衡。很多應(yīng)用場景中，系統(tǒng)的散熱很重要，因此并不能一味追求主頻高或多核，更多需要權(quán)衡低功耗需求。
?? ? 第四，物聯(lián)網(wǎng)時代，DSP對于軟件IP保護和安全網(wǎng)絡(luò)連接的需求在不斷增長，未來會更加重視安全特性。
?? ? 第五，由于產(chǎn)品迭代越來越快，下游客戶需要管理的代碼越來越多，與此同時，客戶在系統(tǒng)集成、測試、調(diào)試方面也面臨較多的挑戰(zhàn)，DSP在未來的設(shè)計中需考慮的要點將更為多樣化。
伴隨上述技術(shù)趨勢，以及國內(nèi)大力發(fā)展新基建、人工智能等背景下，DSP有望在以下領(lǐng)域迎來發(fā)展：
新基建東風下，高端處理器繼續(xù)尋求突破
根據(jù)國家發(fā)改委對于信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的定義，處理器等高端芯片成為5G等通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、AI等新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施、智能計算中心等算力基礎(chǔ)設(shè)施的核心引擎，這里所指的高端芯片就包括DSP。
在華為早先發(fā)布的800G通信模塊產(chǎn)品中，就曾展示了自主研發(fā)的DSP芯片。據(jù)悉，800G 模塊的配套芯片主要是光電子通信芯片，用于完成光電信號的轉(zhuǎn)換，屬于通信核心器件。據(jù)2020Q4情況來看，云計算廠商資本開支仍保持高位，400G數(shù)通光模塊持續(xù)放量，數(shù)通光模塊景氣度將持續(xù)上行;并且，5G 建設(shè)仍在繼續(xù)，電信端光模塊整體需求有望重新提振，相關(guān)通信模塊繼續(xù)增長，都是高端DSP繼續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。
萬物互聯(lián)時代，智能控制器的萬億藍海市場
智能控制器是終端的大腦，是物聯(lián)網(wǎng)邊緣側(cè)不可或缺的“神經(jīng)中樞”。隨著下游市場的快速擴張，行業(yè)整體景氣度較高，市場空間廣闊。 2020年，全球/中國智能控制器市場規(guī)模分別高達1.5萬億美元/2.37萬億元。并且，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)爆發(fā)、產(chǎn)業(yè)政策持續(xù)加碼以及智能汽車、家用電器等下游應(yīng)用持續(xù)爆發(fā)的背景下，智能控制器有望加速兌現(xiàn)增長潛力。
所謂智能控制器，是指在儀器、設(shè)備、裝置、系統(tǒng)中，為完成特定用途而設(shè)計實現(xiàn)的計算機控制單元，通常以MCU或DSP為核心，經(jīng)電子加工工藝制造而形成的電子部件。例如：日常使用的電鉆、電鋸、切割機、割草機等電動工具，以及電視機、洗衣機、冰箱、空調(diào)等家電的控制門閥，還有工業(yè)設(shè)備以及智能建筑對照明回路的調(diào)光設(shè)置等等，都需要智能控制器的關(guān)鍵控制，使得這些設(shè)備更加安全、高效地運作。
隨著控制器智能化升級不斷深入，傳統(tǒng)產(chǎn)品逐漸被智能化、網(wǎng)聯(lián)化的新產(chǎn)品取代，智能控制器的技術(shù)復雜度提升、功能不斷豐富；同時，下游產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，也在推動對智能控制器多樣化功能的需求。與非研究院認為，反映到上游核心芯片供應(yīng)商來說，需要具備較強的產(chǎn)品更新和技術(shù)升級能力，來滿足下游應(yīng)用需求，以更好地把握智能控制器“量價齊升”的機遇以及格局變遷紅利。
順應(yīng)AI潮流，抓住智能視覺機遇
DSP在智能視覺領(lǐng)域一個突出的增長點在于視頻結(jié)構(gòu)化需求。與非研究院認為，傳統(tǒng)的被動監(jiān)控，逐步將由具有智能視頻分析（視頻移動探測、跟蹤，人的面像識別，人的步態(tài)識別，人與物的異常行為及非法滯留的識別，車牌識別等）等功能的主動監(jiān)控所替代，這樣，根據(jù)不同監(jiān)控場景的需要，把后臺視頻分析嵌入所需攝像機的DSP中，不僅能減少項目的工程量和節(jié)省費用，也能取代監(jiān)控任務(wù)中人的大部分工作。這是智能監(jiān)控對DSP技術(shù)發(fā)展的新需要。
例如，全球最大DSP IP授權(quán)商CEVA已經(jīng)推出了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理硬件引擎和可編程矢量DSP的AI處理器IP，以用于前端設(shè)備的深度學習需要，該方案在功耗、性能、靈活性方面都有一定的優(yōu)勢。
瑞芯微的RK1108 IoT開發(fā)平臺，就內(nèi)嵌了CEVA XM4視覺處理器DSP以及瑞芯微的圖像算法技術(shù)，可以使汽車、安防監(jiān)控、家用輔助機器人、運動相機、無人機等終端設(shè)備具備較高智能視覺能力。
目前，多數(shù)廠商都對DSP內(nèi)部算法進行了多元升級，提升其性能、清晰度、色彩、低照度等方面，使現(xiàn)圖像效果更為精細。以往的智能攝像機主要是提高圖像質(zhì)量型，而智能攝像機將具備更加強大的圖像處理識別能力和智能因素，為用戶提供更多高級的視頻分析功能，提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的能力，并使視頻資源發(fā)揮更大的作用，這些都給DSP下一步的升級指明了方向。
結(jié)語
我國發(fā)展DSP處理器主要有兩大制約因素：一是知識產(chǎn)權(quán)。任何處理器都需要指令集，知識產(chǎn)權(quán)是繞不過去的核心問題。巨頭們的DSP指令集都各不相同，并且不對外授權(quán)，因此國產(chǎn)DSP除了要定義自己的指令集，還要構(gòu)建一整套工具鏈和生態(tài)。二是構(gòu)建軟硬協(xié)同的應(yīng)用生態(tài)。在市場迭代加快、應(yīng)用需求迅速變化的今天，吸引更多開發(fā)者、并發(fā)展更多客戶，是國產(chǎn)DSP的一個更大挑戰(zhàn)，需要通過不斷的積累、合作和努力去推動。
2020年8月國務(wù)院印發(fā)的《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》提出，中國芯片自給率要在2025年達到70%。加快高端芯片的自主研發(fā)與國產(chǎn)替代愈發(fā)迫切，重要性與日俱增，這些都是擺在國產(chǎn)DSP面前不同于以往的新需求和新挑戰(zhàn)。
不過，新基建、智能控制、AI應(yīng)用等領(lǐng)域都是國產(chǎn)DSP實現(xiàn)高端突破的切入點。這些市場不僅需求廣闊，對于實現(xiàn)自主可控的迫切性也更高。一旦在關(guān)鍵行業(yè)實現(xiàn)突破，就會形成產(chǎn)業(yè)帶動效應(yīng)，加速國產(chǎn)DSP向更多市場領(lǐng)域推廣和應(yīng)用。
在今年的缺芯浪潮中，國內(nèi)一些用戶都在積極尋找國產(chǎn)替代方案。DSP立足于比較成熟的制造和封裝工藝，在市場需求倒逼之下，有望迎來新的增長。綜上，與非研究院認為，默默無聞的國產(chǎn)DSP有望在時代和市場多重需求和紅利之下，迎來新的發(fā)展拐點，進一步向高端領(lǐng)域?qū)で笸黄啤?/p>
