25年DSP前进的动力：软件和应用创新

DSP二十五周年系列报道文章： 25年DSP前进的动力：软件和应用创新 展开想象翅膀，迎接DSP第三次浪潮 DSP乘风破浪的四分之一世纪

“假如你今天有一个DSP，它给你无穷的性能，价格和功耗方面都不是问题，你甚至可以靠你自己的体温操作这个DSP，你能够创造出什么样的新应用？”在2007年德州仪器开发商大会(TIDC)主题演讲《为创新者提供DSP系统技术》的结尾处，TI副总裁林坤山给台下的观众留下了这样的一个问题。 1982年，TI发布了第一颗商用DSP芯片——TMS320C10，它采用当时最先进的3微米工艺，集成了55K晶体管，速度为5MIPS，当时DSP在军事和电信领域的应用刚刚开始。25年后的今天， DSP已经广泛应用于数字无线、宽带接入、数字音频、高分辨率影像以及数字马达控制等领域，全球DSP市场超过了100亿美元，并仍保持两位数的高速增长。作为目前最先进DSP芯片的代表，TI在2007年初推出的用于无线基站的多核DSP——TMS320TNETV3020和TMS320TCI6488，分别集成了6个500MHz DSP内核和3个1GHz DSP内核，性能达到了3GHz。

技术进步和市场需求是过去25年DSP市场发展的车轮。xe9esmc

林坤山表示，短短25年内，DSP能够快速地发展，主要有两个原因：一是DSP系统技术创新，二是客户应用创新。TI 首席战略科学家方进(Gene A. Frantz)进一步解释说，一是技术推动(Push)应用和市场，当性能足够好，成本和功耗也足够好，新市场就会出现，例如随着每一代DSP成本降至10美元，语音处理、数字通信、数码相机、手机、PMP和视频电话等大量应用相继出现；二是市场拉动技术，需求将技术拉入(Pull)市场。他强调说：“过去25年来，我们发现，我们客户的创新想象力，远比我们丰富，很多应用都是我们没有预见的。客户的应用创新，反过来拉动DSP性能提高。” DSP向多核和SoC发展 和其它半导体产品一样，DSP性能提升的一大来源是工艺进步，根据摩尔定律，工艺进步可以集成更多的晶体管，从而提升性能和降低成本。同时，方进发现，工艺进步的好处是可以不断降低DSP核电压，而功耗和核电压的平方成正比，因此功耗随之降低，为此方进提出了DSP领域的方氏定律(Gene's Law)，即每过18个月，DSP功耗会减半。除了工艺进步外，另一个来源就是架构创新，TI早期的DSP核C1x/2x/5x性能为1MAC/cycle，而最新的C64x+已经达到了8MAC/cycle。 不过，由于散热和成本问题，通过提升时钟速度来提升性能已经到了极限。为此，TI将多核和SoC架构视为未来提升DSP性能和降低成本的手段。方进表示：“我们必须区分时钟速度和性能，两者是相关但又不完全一致的。事实上，20世纪90年代初，我们就发现摩尔定律遇到了极限，时钟速度决定性能的关系已经动摇了。所以我们通过架构创新来弥补，如多核和SoC。正如我们所看到的，时钟速度并没有随着工艺节点而提升，提升性能的正确方法可能是利用工艺实现更高集成度，而不是提升时钟速度。” TI达芬奇平台就是DSP SoC一个典型例子，它集成了ARM、DSP、一些加速器和外设，由此提升性能和降低成本。另外就是TI自20世纪90年代中期就开始推入市场的多核DSP。方进表示：“多核DSP对TI来讲并不是新东西，因为我们的驱动力是性能，不是时钟速度，当我们设计一个DSP芯片时是从宏观角度上看需要达到什么性能，然后决定是采用多核、单核或者其它方案。”不过，方进也坦承，目前多核还存在系统架构和任务划分等技术挑战，是业界“没有办法的办法”。 DSP进入到多核和SoC中，表明DSP产业发展进入了一个新阶段——DSP从单独的DSP处理器转变为信号处理系统赋能(enable)，DSP只是信号处理系统的一部分。在这个新的阶段，除了工艺和技术进步继续提升DSP性能外，软件和应用创新变得比以往更加重要。也就是说，相比前25年技术进步产生的推动力非常强大，未来25年来应用创新的拉动力显得更加重要。对于DSP厂商来说，意味着由产品和技术导向，变成系统和应用导向，继续“推”的同时，更加关注“拉”。 方进表示，信号处理已经不再单单是一个处理器了，信号处理还需要其它硬件和软件，处理器只是其中的一部分。市场需要的不是单纯的DSP处理器，而是解决方案，因此出现了所谓的SoC。DSP成为一个赋能的东西，一个辅助客户进行开发的平台。方进强调说：“因此，DSP厂商不仅需要提供DSP芯片，还要理解系统。这也是TI和其它DSP厂商的区别，正是因为没有很好理解DSP系统，不少厂商退出了。” 软件和应用创新更加重要 因此，Frantz 表示，未来25年，TI最大的挑战不是技术问题，而是如何和系统厂商建立一种恰当关系，能够理解他们的需求，研发出他们需要的器件。“正如我前面所说的，技术发展有两种情况，一种是技术推动市场(Push)，另一种是市场拉动技术(Pull)。只要我们建立了这种关系，了解到来自市场的拉动力，就知道了我们技术和研发上所要推动的。”

价格下降使DSP从高端军用领域进入日常消费产品中。xe9esmc

方进介绍说，第一波DSP应用创新发生在电信领域，目前这个市场仍在稳定增长；第二波为多媒体娱乐产品，目前方兴未艾；而第三波应用创新则可能存在于汽车自动驾驶(汽车视觉/辅助驾驶/无人驾驶)、人性化医疗保健(人工视觉/人造假肢/便携医疗/智能药片)、数字化安全（智能可编程摄像机/视频分析）和绿色环保(数字马达控制/高级传感/数字电源)等领域。他表示，虽然我不能够确定哪些是第三波应用，但由于它们大多和个人有关，因此市场非常巨大。 林坤山补充说，目前很多人都在讨论半导体产业是否已经成熟，其实问题关键是能否找到新的海量应用，20世纪80~90年代，PC推动半导体产业，最近10年是手机推动半导体产业，虽然它们的出货量还在稳定增长，但是单价压力非常大，拉低了收入增长率，因此大家都在寻找可以带动半导体产业往上冲的新海量应用。林坤山强调说：“对于我们来说，针对各个不同有潜力的应用，我们会提供高性能多核DSP，或者提供很有价格竞争力DSP SoC，这是TI的承诺”。 而应用创新，除了需要性能不断提升的硬件外，更重要的是软件。方进表示：“DSP发展过程中，我们发现客户都比我们聪明，他们的很多应用都超出我们的想象。客户的应用创新主要在软件上，例如智能视频监控中的视频分析。因此我相信信号处理的创新方面，软件还是多于硬件。”软件创新，不仅来自于客户，也来自于TI自己。为了配合客户更上层的创新，TI将提供更丰富的底层软件库和开发工具包。 林坤山则澄清说，SoC这种商业模式，并不意味着半导体公司包办一切，系统厂商仍有足够的空间去发挥。他解释说：“SoC并不等于提供整套解决方案，取决于具体终端。所谓整套解决方案，是指包括SoC、OS、BIOS、压缩软件,甚至很高层的人机界面等全部提供给客户，比如目前的手机方案。但有些产品，我们可能会设计一个SoC，提供基本的OS、软件和开发工具，让客户有足够的空间去发挥，例如我们的开放多媒体平台OMAP。另外，我们也和很多第三方伙伴一起合作，帮客户把最终产品设计出来。” 方进认为，无论是从“推”还是从“拉”的角度上来看，未来25年中国DSP应用和市场都非常精彩。“正如我所说，技术的发展依赖于推和拉。中国拥有10多亿人口，他们需要新的产品，将形成巨大的拉动力；另外中国有很多优秀大学和研究机构，推动技术的发展。接下来会发生什么？我只需要见证，不需要预测。”