DSP芯片诞生开始究竟带来了什么？ - 全文

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。其独特之处在于它能即时处理资料，正是这项即时能力使得DSP最适合支援无法容忍任何延迟的应用。

其内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。现在DSP产品很多，定点DSP有200多种，浮点DSP有100多种。目前主要供应商有 TI、ADI、Motorola等，其中 TI 占有最大的市场份额主导产品。

TI公司在1982年成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010，这是DSP应用历史上的一个里程碑，从此DSP芯片开始得到真正的广泛应用。由于TMS320系列DSP芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点，所以逐渐成为目前最有影响、最为成功的DSP系列处理器。

此前，TI首席科学家Gene Frantz（方进）撰文，详细叙述了TI DSP的发展历程与其本人与DSP的不解之缘，这也是DSP技术不断创新的动力源泉：

DSP的理论首次被提出是在20世纪六十年代中期，当时我还在读高中。到了七十年代初，我听说数字信号处理可以在通信方面起到一些神奇的作用。后来我在德州仪器的计算器部门工作，同时攻读我的硕士学位，也正是那时，我在一本名叫《Digital Signal Processing》的教科书中接触到了数字信号处理的理论，那是1977年。

从负责Speak &Spell产品开始

在20世纪70年代，数字信号处理还仅仅是一项受限于计算机的实时操作实现能力和掌握熟练DSP技能的工程师的技术。而我是负责Speak &Spell这个产品的团队中的一员。这款产品是首次搭载DSP技术的儿童玩具，通过合成语音来进行启蒙教育。

这个团队创立之初只有四个人。Paul和我负责产品研发这一块。我们还拉入一个IC架构师Larry Brantingham，和一个语音系统专家Richard Wiggins。能赶上那个时机对我们来说真的很幸运。记得那是1976年的秋天。

图1 拍摄于1978年夏天，正值Speak & Spell最初开发的阶段，从左至右：Gene Frantz， Richard Wiggins， the Speak & Spell， Paul Breedlove and Larry Brantingham

在为这款产品的可行性研究确立了内部资金之后，我们四个开始了这项工程的可行性研究。1976年的12月，我们用一台内嵌阵列处理机的TI-980电脑来进行演示。我们设计了芯片组并且在1978年成功推出了原型机。在6月份芝加哥举办的CES（美国消费电子展）展会上，我们为这款产品进行了宣传。8月份，Speak& Spell就开始投产了。首次出货进入市场是在9月份。1982年，Speak& Spell出现在了斯蒂芬•斯皮尔伯格的大片ET中，从而成为了流行文化的巅峰之作。

当时，我感觉我们是走在DSP技术革命的最前沿，我们也意识到了半导体技术可以广泛地商业化，而关键要做的就是培养足够多的DSP工程师，同时要让客户能够跨越这个新旧技术交替的鸿沟，让他们肯去冒这个风险，而且我们要打造出一个简单易用的平台。正如我所看到的，数字信号处理技术拥有无限的潜力，它将在手机、成像、医疗电子、安防等领域掀起一场数字革命。

加入到TI新成立的DSP团队

有了做Speak& Spell的经验之后，我加入到了TI新成立的DSP团队，我们通过这个团队，把这项革新的技术推广给大众。我们从拜访那些数字信号处理领域的权威教授开始，为他们提供TI当时的主流可编程DSP设备的硬件和软件，让他们来进行研究和实施，从而加速这种技术在市场上的扩散。

但是这些还不够，TI需要加速那些DSP人才的培养，所以我们赞助了教科书、实验室，捐赠了设备，还游说了全球各地的教授来推动大学中的DSP教育，无论是博士还是学士，都有机会接触到DSP的课程。我还看到了客户对于这项技术的实习培训和应用说明的需求。我们的第一款产品是TMS32010，性能达到了5MIPS，并拥有55000个晶体管。1982年2月4日我们在ISSCC上发布了这款产品，一年以后进入市场。图2是TMS32010的裸片图。

图2 TMS32010的裸片图，拥有3-nm NMOS的设计技术以及大约 50，000 逻辑门电路库。

低功耗技术革新

我开始思考，我们如果想要改变世界，那么产品必须变得更加便携。这驱使我把功耗当做IC设计的重要部分。低功耗技术的革新是便携领域从模拟转向数字的本质要求。于是我又从头到尾研究了一遍数字信号处理，寻找降低功耗的方法。后来我选择了数字信号处理的一项基本功能---- MAC功能。

令我感到意外的是，数字信号处理器件的功率损耗（以Mw/MMACs计）平均每18个月会减掉一半。于是，我拿着一张对比图表来敦促我们的设计团队，让他们将功耗作为一个优先课题。我创造了一个“Gene’s Law”定律，意思是，为了迎合客户的需求，我们平均每两年就要把功耗降低一半，TI也一直很果敢地担当着这个重任。TMS320C54x产品诞生后，我们实现了让手机通话时间持续几个小时，待机时间持续数天。

1992年，世界上首个GSM网络开始部署，并且承诺将要实现低成本、无处不在和便携通讯。

十年后，全球手机用户量达到了10亿部，而到了今天，这个数字变成了50多亿。从最初只支持语音通话的简单移动电话，变成了如今一个支持语音与数据的多媒体平台。要在同样的功耗下将手机和基站的性能提升10倍，这对于TI来说又是一个巨大的挑战。随着用户界面和应用程序越来越重要，TI为手机研发了第一套多媒体处理器，运用OMAP应用平台。它其中包含卓越的通用处理器、图形和数字信号处理等功能，应用于高质量相机、高清视频和音乐。

融入到每一部数字处理系统

也许有人会觉得DSP作为一个产品，从一文不值到创造每年数十亿美元的价值之后又销声匿迹很奇怪。但是这确实是一个好消息的开始。它并没有销声匿迹，只是融入到了每一部数字处理系统中而已。

为什么这么说呢，因为我们在IC技术中所做的努力已经允许在硅芯片中嵌入DSP。曾经的DSP是非常大的，而如今却小到几乎看不见。首个可编程DSP TMS32010将其裸片的四分之一用于乘法器，而现在的乘法器如此的小就像曾经用过的接合垫。DSP的核心理论现在也可以在嵌入式处理器世界中获得更大的发挥价值。

从另一个角度看来，我们也在针对特定市场的需求为我们的信号处理器进行着优化。与其说我们打造了一条DSP产品线，不如说我们打造了一条通信信号处理器、音频信号处理器、视频信号处理器、图像信号处理器和马达控制处理器的产品线，所有这些都能采用DSP的理论和硬件。

很显然，下一步是很关键的，就是我们要将DSP集成在各种系统处理器（像ARM）、各种加速器和外设中，通过集成化这些元素，我们就创造出了完整的嵌入式处理器的系统解决方案。所以信号处理的历史，从发现DSP理论到目前为止，可以总结为信号处理理论到信号处理器产品的转变，甚至是到嵌入式处理器系统的使能器的转变。

而DSP的第三个发展方向是创造了多线程处理架构。随着具有特定应用的系统渐渐兴起，从可编程的处理器转向可配置处理器，再到单功能处理器，这些都是合理的。因为实际信号的平行性，这种转移到固定功能单元是普遍的。在RISC处理器与多种可配置IP模块组合后的控制下，一个崭新的嵌入式处理系统出现了。

这与一台设备中有多个完全相同的处理器概念是不同的，这个信号处理的世界是虽然符合阿姆达尔定律（阿姆达尔定律的主要观点是随着系统中处理器的不断增加，系统的速度将会趋于稳定）的世界，但这个世界又是一个特例，因为该系统可以被拆成数个小的专用并行处理单元。而这些单功能的加速器具有更高的性能、更低的功耗和更低的成本，使得系统更加的稳定易用。

这三项重大的研发成果把我们带到了今天，这是一个多么令人兴奋的时代，系统设计师们仍然在寻找着超乎我们想象的机遇。在客户方面看来：技术允许DSP成为高度优化的解决方案的一部分，满足了他们差异化的需求，与那个微处理器的只有一种通用型号的时代形成了鲜明对比。有了高度优化的SoC，我们可以提供更高的性能、更低的功耗和更低的成本。

DSP技术未来前景

通过提升处理器的性能，我们还可以探索一些我们过去没有考虑到的新信号。例如，即将引入的3D图像和视频分析。的确，这些概念已经存在很多年了，但是我们现在才有足够的处理性能来精确地做一些得心应手的处理。

我亲身经历了从DSP诞生，帮助其成长，到眼见其成熟。我也见证了从当初的一个器件到如今的每个器件中都有DSP的技术。

通过TI的DSP技术，我们很快将会看到，现在那些很笨重很昂贵的医疗设备通过TI DSP技术将会变得小到可以拿在内科医生和急诊医生的手中；便携超声仪器将很快应用于阿富汗和伊拉克的野战医院中，它们也将改变印度和中国的医疗保健现状；空调等家用电器进行了调速电动机控制以后，效能正在发生戏剧性的改进。

这些都是真正激动人心的伟大时刻。TI的DSP技术正在让人们的生活更健康、安全、环保、智能，也更有乐趣。而且，就DSP技术为世界带来的改变来看，我们现在还仅仅是享受到皮毛而已。