数字信号处理发展现状及趋势

睡不醒的不想睡 2024-06-04 16:30:42

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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**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**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。 20210311

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