国产DSP能给缺芯“止痛”？
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2021-03-25 11:56
作者 | 包永刚
出品 | 雷锋网产业组
2020年，中国进口各类芯片的总额攀升至3800亿美元，连续6年超过石油进口额，成为贸易逆差的最大来源，占全球芯片需求量的45%以上。在这一形势下，以美国为首的欧美国家却不断通过“贸易摩擦”、各种制裁和禁运，对出口到中国的芯片特别是高端芯片“卡脖子”。
2020年8月国务院印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》提出，中国芯片自给率要在2025年达到70%。因此，加快高端芯片的自主研发与国产替代愈发迫切，重要性与日俱增。
DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）是一类嵌入式通用可编程微处理器，主要用于实现对信号的采集、识别、变换、增强、控制等算法处理，是各类嵌入式系统的“大脑”，应用十分普遍。DSP与CPU（中央处理器）、GPU（图形处理器）、FPGA（现场可编程门阵列）通常被看成是高端芯片的“四大件”，其国产化替代对于提升芯片自给率具有重要意义。
我国的国产DSP虽然起步较晚，但发展很快，在某些特定领域的国产化率已经较高，2025年非常有可能实现70%的目标。
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国产DSP在某些领域国产化率
已达80%以上
相比CPU、GPU和FPGA，同属于高端芯片的DSP受关注程度明显低很多。DSP芯片一般采用程序总线和数据总线分开的哈佛架构，常常具有专门的硬件加速模块，能够快速实现各种数字信号算法处理与实时控制。
毂梁微电子副总经理汪东对雷锋网表示：“DSP相比CPU功能更加专一，相比GPU分属不同领域，相比FPGA计算效率更高。它更多时间是在做默默无闻的计算处理工作，所以大家对DSP的关注会相对少一些，但已经广泛应用于手机、家电、汽车、高铁、工业机器人、无人机等诸多领域，市场需求量很大。”
湖南毂梁微电子副总经理汪东
虽然受关注程度不如CPU，起步较晚的国产DSP发展却很快。全球第一块单片DSP在1980年诞生，此后，TI、ADI、摩托罗拉等公司不断推出不同档次的DSP产品并逐步占领全球市场。
我国在“十一五”规划期间，通过“核高基”科技重大专项部署了多个国产高性能DSP的研制任务。2012年，由中国电科第十四所牵头研制的“华睿1号”国产DSP课题通过验收，并开展大规模应用部署。同年，由中国电科第三十八所自主研制的“魂芯1号”国产DSP也完成了测试，性能可以达到当时国际主流水平。
“其实在华睿1号推出之前10年，国内已经有单位自主研制出了首款国产DSP，在这之后的近20年时间内，国产DSP也像CPU那样，经过了从反向设计到正向设计，从兼容替代到完全自主的发展历程。“汪东说，“由于某些特殊领域对DSP的国产化需求更高，更迫切，因此国产DSP在这些领域的应用推广比较快，国产化比例已达到80%以上。其它领域国产DSP的自给率还不足10%。”
虽然国产DSP在某些特殊领域的国产化率较高，但这些特殊领域的市场份额仅占全部DSP市场份额的5%不到，而其最主要的三大应用市场是通信（56%）、计算（21%）、消费电子和自动控制（11%）。
因此，国产DSP在民用市场提升国产化率才能真正实现这类高端芯片的自主可控。
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DSP国产替代比CPU更容易
与衡量其它逻辑计算芯片类似，DSP的主要指标包括其工作主频、每秒运算次数、内存大小、接口类型和数量等。从目前来看，DSP需要满足各种嵌入式系统集成化、智能化、模块化、低功耗的发展趋势，将朝着数据处理能力越来越强、接口集成度越来越高、功耗越来越低等方向发展。
汪东认为，“国产高端DSP这些年有很大突破。但在设计高端DSP时也面临一些技术挑战，包括先进工艺制程下的高频设计，数据处理能力的提升，数字模拟混合电路设计以及系统低功耗设计等。”
挑战虽多，但相比CPU的高端国产替代，DSP从芯片设计到工艺实现再到生态构建都更容易实现自主可控，还能更适应国内市场的需求。汪东说：“国际巨头DSP公司的部分芯片指令集知识产权保护已过期，因此至少从国内看，研发与这类DSP芯片指令集兼容的国产DSP不需要通过授权。”
ARM、x86等CPU体系结构（含指令集）更新频繁，导致用户无法摆脱原厂的架构授权，而DSP指令集更新速度远低于CPU，这意味着它基本上不再需要原厂授权，可以从源头上解决卡脖子问题。不过，由于DSP芯片设计也需要使用EDA工具，因此在这一环节面临的挑战与CPU一样。
制造环节，国内的制造水平也足以支撑高端DSP。“国内最先进的高端DSP用到了12～14nm制程，而对于面向工业控制的中低端DSP，使用55nm甚至110nm工艺就够了。”汪东说。
除了硬件方面的挑战，软件生态也是国内芯片实现高端突破面临的共同挑战。汪东表示：“幸运的是，DSP的计算任务比较专一，生态链相比CPU短很多，不需要适配很复杂的操作系统、数据库等基础软件和各种各样的上层应用软件，这样构建和推广全自主的国产DSP更加容易。”
成立于2018年，核心团队来自国防科技大学的毂梁微自主研制成功“麓山”系列国产DSP，已经在智能制造领域开始推广应用，同时还将推出全自主的“韶山”系列通用DSP。雷锋网了解到，毂梁微的这种全自主DSP采用了国内首创的多并行态融合创新架构，从芯片的基本指令集到体系架构都是自主创新，具有完全的知识产权。
“我们DSP的架构无论是从国内还是国际看，都处于领先水平，它在同样流片工艺下的能效比，比国际主流高性能DSP高一倍，而且能够根据不同应用需求扩展为2～16核，可裁剪、可定制。”
汪东进一步表示：“开发软件方面我们完成了1.0版本的研发，借鉴了国际上主流的开源编译框架，无论是界面还是友好性方面都让用户能够容易上手，非常方便其原有程序的移植和国产化替代，最后的代码编译效率也不错。”
“不能盲目地推出全自主的DSP，这可能会很难找到它的用武之地。我们正在和一些用户积极探讨和合作，针对具体的应用场景进行定制设计，最大限度提升DSP区别于CPU和MCU的优势。”汪东同时表示。
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抓住缺芯机遇，实现70%国产化率
的目标前景可期
除了技术和生态方面的优势，国产DSP也更容易针对国内用户的痛点进行优化设计，满足用户需求。比如在安全性方面，对于涉及金融、能源、轨道交通等关键基础设施行业对安全性要求很高，采用国产核心芯片就可以针对安全问题进行加强处理。
据悉，毂梁微的DSP更多是通过硬件的方式来增强DSP的数据加密和自我保护能力。
国产DSP还可以通过优化设计获得国内客户的青睐。汪东举例说，某大厂的DSP虽集成了模数转换器（ADC），但用户在实际使用时发现其精度不高，需要在DSP外单独增加高精度ADC芯片，不但浪费了资源，还提高了整体成本。毂梁微针对这一痛点，集成精度更高的ADC，不仅整体的体积、功耗更低，还大大节省了用户成本。
“工业控制、装备制造、工程机械、轨道交通、汽车电子等行业都是国产DSP实现高端突破的切入点。因为这些市场不仅需求量大，对于实现自主可控的迫切性也更高。一旦在关键行业实现突破，就会形成产业带动效应，加速国产DSP向更多市场领域推广和应用。”汪东认为。
“我觉得DSP芯片在2025年实现70%的国产化率目标非常有可能。”
市场环境的变化也给国产DSP的突破带来机遇。由于疫情、产能、国际形势等因素，2020年下半年以来“缺芯”已成为芯片行业的普遍现象。
汪东说：“从我们近期的调研得到的反馈，国内很多用户都在积极寻找国产替代方案，这时候如果国产芯片能够及时供应，确实是很好的市场机遇。由于我们的DSP都立足国内比较成熟的制造和封装工艺，也有保证产能的渠道，目前产能紧张的问题对我们影响不大，缺芯反而是一个弯道超车的机遇。”
同样值得注意的是，ADI在去年宣布收购美信半导体，ADI作为DSP巨头之一，这笔收购可能会改变DSP市场的竞争格局。当然，最终带来的是更大挑战还是更多的机会，都需要等待收购完成以及巨头的业务调整来进一步评估。
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小结
相比CPU的国产替代，DSP实现高端国产替代无论是技术还是生态层面都更有优势。特别是，DSP在某些特殊领域已经有超过80%的国产化率，能够满足要求严苛的场景需求，在民用市场也有希望快速提升国产化率，实现从不到10%到70%甚至更高国产化率的快速跃升。
当然，就像解决EDA工具“卡脖子”问题需要更多资本和人才的加入一样，DSP行业也需要资本更多的关注，早日实现国产高端DSP的自主可控和可持续发展。
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