隨著消費(fèi)、汽車等多個領(lǐng)域的需求提升，數(shù)字信號處理(DSP)的市場也在不斷擴(kuò)大，根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)168report的數(shù)據(jù)顯示，在2022年全球DSP微處理器芯片市場規(guī)模約為40億美元。預(yù)計(jì)未來該市場將進(jìn)一步擴(kuò)大。

面對不同的應(yīng)用場景，DSP算法也在進(jìn)行相應(yīng)的升級，包括AEC、ANC/RNC等。一方面，路噪、空化噪聲、氣動噪聲等聲學(xué)算法都被應(yīng)用到汽車上。另一方面，在智能座艙的發(fā)展下，據(jù)億歐智庫的數(shù)據(jù)顯示，在2021年的乘用車中，語音交互功能的滲透率就已經(jīng)達(dá)到86%，這兩年的滲透率還在不斷提升。語音交互技術(shù)需求提升也成為帶動語音識別相關(guān)算法迭代的關(guān)鍵因素。

目前，業(yè)內(nèi)知名的國際DSP芯片廠要包括TI、ADI、NXP等。此外，在新能源汽車市場快速發(fā)展的背景下，也有多家國產(chǎn)DSP芯片進(jìn)入汽車市場，包括進(jìn)芯電子、中科昊芯等。其中進(jìn)芯電子已經(jīng)推出了32位浮點(diǎn)DSP芯片AVP32F335系列等產(chǎn)品，中科昊芯在11月份官宣即將推出32 位浮點(diǎn)RISC-V DSP芯片HXS320F280039C、HXS320F28379D等產(chǎn)品。

不同廠商的產(chǎn)品具有不同的技術(shù)優(yōu)勢，例如ADI，其DSP Decoder SDK的優(yōu)勢在于提供可擴(kuò)展的低延遲音頻性能、支持所有浮點(diǎn)的代碼、高保真audio、有家庭影院的全套認(rèn)證解碼庫、很好的軟件架構(gòu)，以及能夠做到不同解碼的無縫切換。


什么是DSP芯片？

數(shù)字信號處理器也被稱為DSP芯片，是一種微處理器工具特別適用于數(shù)字信號處理操作的。它的主機(jī)應(yīng)用程序是實(shí)時，快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。

數(shù)字信號處理器的功能使用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開。用于單指令流，多數(shù)據(jù)流（SIMD）操作的特殊指令集。可以并行處理，但不支持多任務(wù)。在主機(jī)環(huán)境中使用時，它可以用作直接內(nèi)存訪問（DMA）設(shè)備。從模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）獲取數(shù)據(jù)，最終輸出是由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為模擬信號的數(shù)據(jù)。能夠在一個指令周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個或多個乘法和累加（MAC）操作。

多個乘法和累加運(yùn)算單元被集成到DSP中，其可以執(zhí)行并行的乘法和累加運(yùn)算。能夠在一個指令周期內(nèi)完成對存儲器的多次讀取。因此，多個片上總線和多端口片上存儲器與DSP集成在一起。為了加快處理器中的操作，將多個地址生成單元集成到DSP中以支持循環(huán)尋址和位翻轉(zhuǎn)尋址。處理器中的大多數(shù)操作都是重復(fù)的操作。

為了易于使用，大多數(shù)DSP支持這種重復(fù)操作，而無需為重復(fù)操作編寫其他指令。大多數(shù)DSP提供多個串行或并行I / O接口，以及特殊的I / O接口，以處理特殊的數(shù)據(jù)，從而降低成本并提高輸出/輸入性能。


DSP 芯片的應(yīng)用領(lǐng)域

DSP 芯片強(qiáng)調(diào)數(shù)字信號處理的實(shí)時性。 DSP 作為數(shù)字信號處理器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，用于專用處理器的高速實(shí)時處理。 它具有高速，靈活，可編程，低功耗的界面功能，在圖形圖像處理，語音處理，信號處理等通信領(lǐng)域起到越來越重要的作用。

應(yīng)用 DSP 的領(lǐng)域較多， 未來新應(yīng)用領(lǐng)域有望層出不窮。 根據(jù)美國的權(quán)威資訊公司統(tǒng)計(jì)，目前 DSP 芯片在市場上應(yīng)用最多的是通信領(lǐng)域， 占 56.1％；其次是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，占 21.16％；消費(fèi)電子和自動控制占 10.69％；軍事／航空占 4.59％；儀器儀表占 3.5％；工業(yè)控制占 3.31％；辦公自動化占 0.65％。

1）DSP 芯片在多媒體通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

媒體數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的信息量是巨大的，多媒體網(wǎng)絡(luò)終端在整個過程中需要對獲取的信息量進(jìn)行快速分析和處理，因此 DSP 被運(yùn)用在語音編碼，圖像壓縮和減少語音通信上。如今 DSP 對于語音解碼計(jì)算產(chǎn)生實(shí)時效果，設(shè)計(jì)協(xié)議要求已經(jīng)成為最基本的一條國際標(biāo)準(zhǔn)。

2）DSP 芯片在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

在工業(yè)控制領(lǐng)域， 工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用，對機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能要求也越來越高。機(jī)器人控制系統(tǒng)重中之重就是實(shí)時性，在完成一個動作的同時會產(chǎn)生較多的數(shù)據(jù)和計(jì)算處理，這里可以采用高性能的 DSP。 DSP通過應(yīng)用到機(jī)器人的控制系統(tǒng)后，充分利用自身的實(shí)時計(jì)算速度特性，使得機(jī)器人系統(tǒng)可以快速處理問題，隨著不斷提高 DSP 數(shù)字信號芯片速度，在系統(tǒng)中容易構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)，大大提高控制系統(tǒng)的性能，使得機(jī)器人系統(tǒng)得到更為廣泛的發(fā)展。

3）DSP 芯片在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用。

DSP 豐富的片內(nèi)資源可以大大簡化儀器儀表的硬件電儀路，實(shí)現(xiàn)儀器儀表的 SOC 設(shè)計(jì)。器儀表的測量精度和速度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，使用 DSP 芯片開發(fā)產(chǎn)品可使這兩項(xiàng)指標(biāo)大大提高。例如 TI 公司的 TMS320F2810 具有高效的 32 位 CPU 內(nèi)核，12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，豐富的片上存儲器和靈活的指揮系統(tǒng)，為高精密儀器搭建了廣闊的平臺。高精密儀器現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為 DSP 的一個重要應(yīng)用，正處于快速傳播時期，將推動產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。

4）DSP 芯片在汽車安全與無人駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用。

汽車電子系統(tǒng)日益興旺發(fā)達(dá)起來，諸如裝設(shè)紅外線和毫米波雷達(dá)，將需用 DSP 進(jìn)行分析。如今，汽車愈來愈多，防沖撞系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)。而且，利用攝像機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過 DSP 處理，才能在駕駛系統(tǒng)里顯示出來，供駕駛?cè)藛T參考。

5）DSP 芯片在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

DSP 的功耗低、體積小、實(shí)時性反應(yīng)速度都是武器裝備中特別需要的。如機(jī)載空空導(dǎo)彈，在有限的體積內(nèi)裝有紅外探測儀和相應(yīng)的 DSP信號處理器等部分，完成目標(biāo)的自動鎖定與跟蹤。先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上裝備的目視瞄準(zhǔn)器和步兵個人攜帶的頭盔式微光儀，需用 DSP 技術(shù)完成圖像的濾波與增強(qiáng)，智能化目標(biāo)搜索捕獲。 DSP 技術(shù)還用于自動火炮控制、巡航導(dǎo)彈、預(yù)警飛機(jī)、相控陣天線等雷達(dá)數(shù)字信號處理中。


電動化智能化，汽車漸成DSP新應(yīng)用市場

在汽車電動化、智能化發(fā)展的大趨勢下，一輛汽車安裝使用的芯片數(shù)量迅速增加。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會提供的數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)燃油車所需汽車芯片數(shù)量為600～700顆，電動車提升至1600顆/輛，更高級的智能汽有望提升至3000顆/輛。而DSP正是其中最主要的芯片類型之一。

從分布式向集中式演進(jìn)，汽車的電子電器架構(gòu)日益被分成分為五大功能域——動力域、底盤域、車身域、座艙域和自動駕駛域，各自實(shí)現(xiàn)基本功能。在動力域，DSP可以實(shí)現(xiàn)對主電機(jī)、直流電壓轉(zhuǎn)換DC-DC、車載充電機(jī)OBC的控制等。憑借數(shù)據(jù)和程序相互獨(dú)立的總線結(jié)構(gòu)、獨(dú)特指令集和豐富數(shù)模外設(shè)資源，DSP在同等主頻下能大幅提升算力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，保證實(shí)時性能。

車身域也是汽車電子系統(tǒng)重要的組成部分，包含汽車門窗、燈光、雨刮、電動座椅、空調(diào)控制等與車內(nèi)駕乘體驗(yàn)息息相關(guān)的應(yīng)用，散熱風(fēng)扇控制、油泵/水泵控制等混動汽車安全控制相關(guān)的電機(jī)應(yīng)用，均需要進(jìn)行實(shí)時的采集外部信號、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電機(jī)計(jì)算和相應(yīng)控制，DSP芯片也非常適合使用在這些場景當(dāng)中。

較之燃油車，隨著動力形式改變，新能源汽車的諸多系統(tǒng)也隨之發(fā)生變化，如動力控制、基礎(chǔ)供電、熱管理、（增加）充電管理等，使其對電機(jī)的使用數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃油車。隨著智能電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，燃油車被替代的速度加快，DSP作為兼具精準(zhǔn)和實(shí)時的控制器，在新能源汽車中的應(yīng)用將得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

此外，DSP等控制芯片在充電樁中的應(yīng)用也不容忽視，一款高端的充電樁，需集成多顆DSP、MCU等控制器，才能有效實(shí)現(xiàn)對功率器件等的數(shù)字控制。充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在加快，截止2022年12月全國已累計(jì)建成充電樁521.0萬臺。以常見功率120kW左右的直流充電樁為例，含功率器件及控制芯片的充電模塊占比最高達(dá)50%。


國產(chǎn)DSP上車，機(jī)會窗口正在打開

全球第一塊單片DSPTMS32010及其系列產(chǎn)品在1982年誕生。此后，德州儀器、ADI、摩托羅拉等公司不斷推出不同檔次的DSP產(chǎn)品并逐步占領(lǐng)全球市場。目前世界上DSP芯片制造商主要包括德州儀器、ADI和摩托羅拉、恩智浦、杰爾系統(tǒng)等，其中德州儀器的產(chǎn)品線最為豐富，應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛。

汽車市場的高成長性吸引了各大實(shí)力廠商，均希望能夠快速搶占汽車等新興領(lǐng)域進(jìn)行布局。由于國際大廠具有先發(fā)優(yōu)勢，已對下游客戶穩(wěn)定供貨多年。特別是車企對供應(yīng)鏈的安全與穩(wěn)定性極為重視，不會輕易更換供應(yīng)商，國產(chǎn)DSP打入供應(yīng)鏈并不容易。

不過，受2020年爆發(fā)的缺芯潮以及地緣政治因素影響，車企已經(jīng)逐漸開始接納國內(nèi)芯片企業(yè)的產(chǎn)品，甚至直接投資進(jìn)行研發(fā)。同時，國內(nèi)芯片制造廠也有意愿進(jìn)行車規(guī)工藝的投入。這些都為國內(nèi)車載DSP的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。如進(jìn)芯電子開發(fā)的32位浮點(diǎn)DSP芯片AVP32F335系列、32位定點(diǎn)DSP芯片ADP32F035系列、16位定點(diǎn)DSP芯片ADP/ADM16F03系列等，符合IATF16949、AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，獲得OEM廠商認(rèn)可，已實(shí)現(xiàn)商用量產(chǎn)。對于國內(nèi)DSP企業(yè)來說，應(yīng)該抓住這個難得的機(jī)會窗口，促進(jìn)上下游間的合作，多方協(xié)同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

隨著電動化、智能化的發(fā)展，DSP在車用領(lǐng)域必將展現(xiàn)出一些新的技術(shù)趨勢。首先就是更高的集成度。車企不斷追求更高的駕駛體驗(yàn)，對于動力域主控來說，需要更高的算力，持續(xù)的性能提升。因此，將多個DSP芯核以及外圍的電路單元集成在一顆芯片上，實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)級的SoC成為趨勢。

異構(gòu)也是趨勢之一。從國際DSP大廠的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，DSP的應(yīng)用場景越來越豐富，巨頭們已經(jīng)形成了更集成、更多核以及更多新架構(gòu)的產(chǎn)品，同時出現(xiàn)了DSP與ARM、DSP與FPGA的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

在汽車的應(yīng)用當(dāng)中，低功耗的需求也不容忽視。由于系統(tǒng)運(yùn)算量大且速度要求高，因此DSP內(nèi)部的部件開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換十分頻繁，這使得DSP的功耗在應(yīng)用系統(tǒng)的功耗中占有相當(dāng)?shù)谋壤??？傮w而言，未來的DSP需要滿足各種嵌入式系統(tǒng)集成化、智能化、低功耗的發(fā)展趨勢，將朝著數(shù)據(jù)處理能力越來越強(qiáng)、集成度越來越高、功耗越來越低等方向發(fā)展。

這些新的技術(shù)趨勢演進(jìn)過程，為我國DSP產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了機(jī)遇。近年來，國產(chǎn)DSP雖然在數(shù)據(jù)處理能力的提升，數(shù)字模擬混合電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)等方面遇到一些挑戰(zhàn)。但是我國擁有巨大的下游應(yīng)用市場，新能源汽車產(chǎn)銷已經(jīng)居于世界首位。這就給國內(nèi)DSP企業(yè)反復(fù)琢磨，更新技術(shù)提供了空間。國內(nèi)DSP企業(yè)更容易針對國內(nèi)用戶的痛點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足用戶需求。比如在安全性方面，采用國產(chǎn)核心芯片就可以針對安全問題進(jìn)行強(qiáng)化處理。

由于國產(chǎn)DSP更加貼近汽車客戶，能夠提供更及時、全方位響應(yīng)支持，這是國際大廠所不具備的。對中國電動汽車供應(yīng)鏈的支持，需求早期的支持、信息交換也是國際大廠無法比擬的。國際大廠更多是傾向于交付成品。

對于國產(chǎn)DSP來說，新興的汽車應(yīng)用市場是實(shí)現(xiàn)高端突破的一個最佳切入點(diǎn)，不僅應(yīng)用需求量大，對于實(shí)現(xiàn)自主可控的迫切性也很高。一旦在關(guān)鍵行業(yè)實(shí)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。