DSP芯片誕生開始究竟帶來了什么？ - 全文

DSP 芯片，也稱數字信號處理器，是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理算法。其獨特之處在于它能即時處理資料，正是這項即時能力使得DSP最適合支援無法容忍任何延遲的應用。

其內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實現各種數字信號處理算法。現在DSP產品很多，定點DSP有200多種，浮點DSP有100多種。目前主要供應商有 TI、ADI、Motorola等，其中 TI 占有最大的市場份額主導產品。

TI公司在1982年成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010，這是DSP應用歷史上的一個里程碑，從此DSP芯片開始得到真正的廣泛應用。由于TMS320系列DSP芯片具有價格低廉、簡單易用、功能強大等特點，所以逐漸成為目前最有影響、最為成功的DSP系列處理器。

此前，TI首席科學家Gene Frantz（方進）撰文，詳細敘述了TI DSP的發展歷程與其本人與DSP的不解之緣，這也是DSP技術不斷創新的動力源泉：

DSP的理論首次被提出是在20世紀六十年代中期，當時我還在讀高中。到了七十年代初，我聽說數字信號處理可以在通信方面起到一些神奇的作用。后來我在德州儀器的計算器部門工作，同時攻讀我的碩士學位，也正是那時，我在一本名叫《Digital Signal Processing》的教科書中接觸到了數字信號處理的理論，那是1977年。

從負責Speak &Spell產品開始

在20世紀70年代，數字信號處理還僅僅是一項受限于計算機的實時操作實現能力和掌握熟練DSP技能的工程師的技術。而我是負責Speak &Spell這個產品的團隊中的一員。這款產品是首次搭載DSP技術的兒童玩具，通過合成語音來進行啟蒙教育。

這個團隊創立之初只有四個人。Paul和我負責產品研發這一塊。我們還拉入一個IC架構師Larry Brantingham，和一個語音系統專家Richard Wiggins。能趕上那個時機對我們來說真的很幸運。記得那是1976年的秋天。

圖1 拍攝于1978年夏天，正值Speak & Spell最初開發的階段，從左至右：Gene Frantz， Richard Wiggins， the Speak & Spell， Paul Breedlove and Larry Brantingham

在為這款產品的可行性研究確立了內部資金之后，我們四個開始了這項工程的可行性研究。1976年的12月，我們用一臺內嵌陣列處理機的TI-980電腦來進行演示。我們設計了芯片組并且在1978年成功推出了原型機。在6月份芝加哥舉辦的CES（美國消費電子展）展會上，我們為這款產品進行了宣傳。8月份，Speak& Spell就開始投產了。首次出貨進入市場是在9月份。1982年，Speak& Spell出現在了斯蒂芬?斯皮爾伯格的大片ET中，從而成為了流行文化的巔峰之作。

當時，我感覺我們是走在DSP技術革命的最前沿，我們也意識到了半導體技術可以廣泛地商業化，而關鍵要做的就是培養足夠多的DSP工程師，同時要讓客戶能夠跨越這個新舊技術交替的鴻溝，讓他們肯去冒這個風險，而且我們要打造出一個簡單易用的平臺。正如我所看到的，數字信號處理技術擁有無限的潛力，它將在手機、成像、醫療電子、安防等領域掀起一場數字革命。

加入到TI新成立的DSP團隊

有了做Speak& Spell的經驗之后，我加入到了TI新成立的DSP團隊，我們通過這個團隊，把這項革新的技術推廣給大眾。我們從拜訪那些數字信號處理領域的權威教授開始，為他們提供TI當時的主流可編程DSP設備的硬件和軟件，讓他們來進行研究和實施，從而加速這種技術在市場上的擴散。

但是這些還不夠，TI需要加速那些DSP人才的培養，所以我們贊助了教科書、實驗室，捐贈了設備，還游說了全球各地的教授來推動大學中的DSP教育，無論是博士還是學士，都有機會接觸到DSP的課程。我還看到了客戶對于這項技術的實習培訓和應用說明的需求。我們的第一款產品是TMS32010，性能達到了5MIPS，并擁有55000個晶體管。1982年2月4日我們在ISSCC上發布了這款產品，一年以后進入市場。圖2是TMS32010的裸片圖。

圖2 TMS32010的裸片圖，擁有3-nm NMOS的設計技術以及大約 50，000 邏輯門電路庫。

低功耗技術革新

我開始思考，我們如果想要改變世界，那么產品必須變得更加便攜。這驅使我把功耗當做IC設計的重要部分。低功耗技術的革新是便攜領域從模擬轉向數字的本質要求。于是我又從頭到尾研究了一遍數字信號處理，尋找降低功耗的方法。后來我選擇了數字信號處理的一項基本功能---- MAC功能。

令我感到意外的是，數字信號處理器件的功率損耗（以Mw/MMACs計）平均每18個月會減掉一半。于是，我拿著一張對比圖表來敦促我們的設計團隊，讓他們將功耗作為一個優先課題。我創造了一個“Gene’s Law”定律，意思是，為了迎合客戶的需求，我們平均每兩年就要把功耗降低一半，TI也一直很果敢地擔當著這個重任。TMS320C54x產品誕生后，我們實現了讓手機通話時間持續幾個小時，待機時間持續數天。

1992年，世界上首個GSM網絡開始部署，并且承諾將要實現低成本、無處不在和便攜通訊。

十年后，全球手機用戶量達到了10億部，而到了今天，這個數字變成了50多億。從最初只支持語音通話的簡單移動電話，變成了如今一個支持語音與數據的多媒體平臺。要在同樣的功耗下將手機和基站的性能提升10倍，這對于TI來說又是一個巨大的挑戰。隨著用戶界面和應用程序越來越重要，TI為手機研發了第一套多媒體處理器，運用OMAP應用平臺。它其中包含卓越的通用處理器、圖形和數字信號處理等功能，應用于高質量相機、高清視頻和音樂。

融入到每一部數字處理系統

也許有人會覺得DSP作為一個產品，從一文不值到創造每年數十億美元的價值之后又銷聲匿跡很奇怪。但是這確實是一個好消息的開始。它并沒有銷聲匿跡，只是融入到了每一部數字處理系統中而已。

為什么這么說呢，因為我們在IC技術中所做的努力已經允許在硅芯片中嵌入DSP。曾經的DSP是非常大的，而如今卻小到幾乎看不見。首個可編程DSP TMS32010將其裸片的四分之一用于乘法器，而現在的乘法器如此的小就像曾經用過的接合墊。DSP的核心理論現在也可以在嵌入式處理器世界中獲得更大的發揮價值。

從另一個角度看來，我們也在針對特定市場的需求為我們的信號處理器進行著優化。與其說我們打造了一條DSP產品線，不如說我們打造了一條通信信號處理器、音頻信號處理器、視頻信號處理器、圖像信號處理器和馬達控制處理器的產品線，所有這些都能采用DSP的理論和硬件。

很顯然，下一步是很關鍵的，就是我們要將DSP集成在各種系統處理器（像ARM）、各種加速器和外設中，通過集成化這些元素，我們就創造出了完整的嵌入式處理器的系統解決方案。所以信號處理的歷史，從發現DSP理論到目前為止，可以總結為信號處理理論到信號處理器產品的轉變，甚至是到嵌入式處理器系統的使能器的轉變。

而DSP的第三個發展方向是創造了多線程處理架構。隨著具有特定應用的系統漸漸興起，從可編程的處理器轉向可配置處理器，再到單功能處理器，這些都是合理的。因為實際信號的平行性，這種轉移到固定功能單元是普遍的。在RISC處理器與多種可配置IP模塊組合后的控制下，一個嶄新的嵌入式處理系統出現了。

這與一臺設備中有多個完全相同的處理器概念是不同的，這個信號處理的世界是雖然符合阿姆達爾定律（阿姆達爾定律的主要觀點是隨著系統中處理器的不斷增加，系統的速度將會趨于穩定）的世界，但這個世界又是一個特例，因為該系統可以被拆成數個小的專用并行處理單元。而這些單功能的加速器具有更高的性能、更低的功耗和更低的成本，使得系統更加的穩定易用。

這三項重大的研發成果把我們帶到了今天，這是一個多么令人興奮的時代，系統設計師們仍然在尋找著超乎我們想象的機遇。在客戶方面看來：技術允許DSP成為高度優化的解決方案的一部分，滿足了他們差異化的需求，與那個微處理器的只有一種通用型號的時代形成了鮮明對比。有了高度優化的SoC，我們可以提供更高的性能、更低的功耗和更低的成本。