國產DSP能給缺芯「止痛」?

2020年,中國進口各類芯片的總額攀升至3800億美元,連續6年超過石油進口額,成為貿易逆差的最大來源,佔全球芯片需求量的45%以上。在這一形勢下,以美國為首的歐美國家卻不斷通過「貿易摩擦」、各種制裁和禁運,對出口到中國的芯片特別是高端芯片「卡脖子」。

2020年8月國務院印發的《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》提出,中國芯片自給率要在2025年達到70%。因此,加快高端芯片的自主研發與國產替代愈發迫切,重要性與日俱增。

DSP(Digital Signal Processor,數字信號處理器)是一類嵌入式通用可編程微處理器,主要用於實現對信號的採集、識別、變換、增強、控制等算法處理,是各類嵌入式系統的「大腦」,應用十分普遍。DSP與CPU(中央處理器)、GPU(圖形處理器)、FPGA(現場可編程門陣列)通常被看成是高端芯片的「四大件」,其國產化替代對於提升芯片自給率具有重要意義。

我國的國產DSP雖然起步較晚,但發展很快,在某些特定領域的國產化率已經較高,2025年非常有可能實現70%的目標。

國產DSP在某些領域國產化率已達80%以上

相比CPU、GPU和FPGA,同屬於高端芯片的DSP受關注程度明顯低很多。DSP芯片一般採用程序總線和數據總線分開的哈佛架構,常常具有專門的硬件加速模塊,能夠快速實現各種數字信號算法處理與實時控制。

轂梁微電子副總經理汪東對雷鋒網表示:「DSP相比CPU功能更加專一,相比GPU分屬不同領域,相比FPGA計算效率更高。它更多時間是在做默默無聞的計算處理工作,所以大家對DSP的關注會相對少一些,但已經廣泛應用於手機、家電、汽車、高鐵、工業機械人、無人機等諸多領域,市場需求量很大。」

湖南轂梁微電子副總經理汪東

雖然受關注程度不如CPU,起步較晚的國產DSP發展卻很快。全球第一塊單片DSP在1980年誕生,此後,TI、ADI、摩托羅拉等公司不斷推出不同檔次的DSP產品並逐步佔領全球市場。

我國在「十一五」規劃期間,通過「核高基」科技重大專項部署了多個國產高性能DSP的研製任務。2012年,由中國電科第十四所牽頭研製的「華睿1號」國產DSP課題通過驗收,並開展大規模應用部署。同年,由中國電科第三十八所自主研製的「魂芯1號」國產DSP也完成了測試,性能可以達到當時國際主流水平。

「其實在華睿1號推出之前10年,國內已經有單位自主研製出了首款國產DSP,在這之後的近20年時間內,國產DSP也像CPU那樣,經過了從反向設計到正向設計,從兼容替代到完全自主的發展歷程。「汪東說,「由於某些特殊領域對DSP的國產化需求更高,更迫切,因此國產DSP在這些領域的應用推廣比較快,國產化比例已達到80%以上。其它領域國產DSP的自給率還不足10%。」

雖然國產DSP在某些特殊領域的國產化率較高,但這些特殊領域的市場份額僅佔全部DSP市場份額的5%不到,而其最主要的三大應用市場是通信(56%)、計算(21%)、消費電子和自動控制(11%)。

因此,國產DSP在民用市場提升國產化率才能真正實現這類高端芯片的自主可控。

DSP國產替代比CPU更容易

與衡量其它邏輯計算芯片類似,DSP的主要指標包括其工作主頻、每秒運算次數、內存大小、接口類型和數量等。從目前來看,DSP需要滿足各種嵌入式系統集成化、智能化、模塊化、低功耗的發展趨勢,將朝着數據處理能力越來越強、接口集成度越來越高、功耗越來越低等方向發展。

汪東認為,「國產高端DSP這些年有很大突破。但在設計高端DSP時也面臨一些技術挑戰,包括先進工藝製程下的高頻設計,數據處理能力的提升,數字模擬混合電路設計以及系統低功耗設計等。」

挑戰雖多,但相比CPU的高端國產替代,DSP從芯片設計到工藝實現再到生態構建都更容易實現自主可控,還能更適應國內市場的需求。汪東說:「國際巨頭DSP公司的部分芯片指令集知識產權保護已過期,因此至少從國內看,研發與這類DSP芯片指令集兼容的國產DSP不需要通過授權。」

ARM、x86等CPU體系結構(含指令集)更新頻繁,導致用戶無法擺脫原廠的架構授權,而DSP指令集更新速度遠低於CPU,這意味着它基本上不再需要原廠授權,可以從源頭上解決卡脖子問題。不過,由於DSP芯片設計也需要使用EDA工具,因此在這一環節面臨的挑戰與CPU一樣。

製造環節,國內的製造水平也足以支撐高端DSP。「國內最先進的高端DSP用到了12~14nm製程,而對於面向工業控制的中低端DSP,使用55nm甚至110nm工藝就夠了。」汪東說。

除了硬件方面的挑戰,軟件生態也是國內芯片實現高端突破面臨的共同挑戰。汪東表示:「幸運的是,DSP的計算任務比較專一,生態鏈相比CPU短很多,不需要適配很複雜的操作系統、數據庫等基礎軟件和各種各樣的上層應用軟件,這樣構建和推廣全自主的國產DSP更加容易。」

成立於2018年,核心團隊來自國防科技大學的轂梁微自主研製成功「麓山」系列國產DSP,已經在智能製造領域開始推廣應用,同時還將推出全自主的「韶山」系列通用DSP。雷鋒網了解到,轂梁微的這種全自主DSP採用了國內首創的多并行態融合創新架構,從芯片的基本指令集到體系架構都是自主創新,具有完全的知識產權。

「我們DSP的架構無論是從國內還是國際看,都處於領先水平,它在同樣流片工藝下的能效比,比國際主流高性能DSP高一倍,而且能夠根據不同應用需求擴展為2~16核,可裁剪、可定製。」

汪東進一步表示:「開發軟件方面我們完成了1.0版本的研發,借鑒了國際上主流的開源編譯框架,無論是界面還是友好性方面都讓用戶能夠容易上手,非常方便其原有程序的移植和國產化替代,最後的代碼編譯效率也不錯。」

「不能盲目地推出全自主的DSP,這可能會很難找到它的用武之地。我們正在和一些用戶積極探討和合作,針對具體的應用場景進行定製設計,最大限度提升DSP區別於CPU和MCU的優勢。」汪東同時表示。

抓住缺芯機遇,實現70%國產化率的目標前景可期

除了技術和生態方面的優勢,國產DSP也更容易針對國內用戶的痛點進行優化設計,滿足用戶需求。比如在安全性方面,對於涉及金融、能源、軌道交通等關鍵基礎設施行業對安全性要求很高,採用國產核心芯片就可以針對安全問題進行加強處理。

據悉,轂梁微的DSP更多是通過硬件的方式來增強DSP的數據加密和自我保護能力。

國產DSP還可以通過優化設計獲得國內客戶的青睞。汪東舉例說,某大廠的DSP雖集成了模數轉換器(ADC),但用戶在實際使用時發現其精度不高,需要在DSP外單獨增加高精度ADC芯片,不但浪費了資源,還提高了整體成本。轂梁微針對這一痛點,集成精度更高的ADC,不僅整體的體積、功耗更低,還大大節省了用戶成本。

「工業控制、裝備製造、工程機械、軌道交通、汽車電子等行業都是國產DSP實現高端突破的切入點。因為這些市場不僅需求量大,對於實現自主可控的迫切性也更高。一旦在關鍵行業實現突破,就會形成產業帶動效應,加速國產DSP向更多市場領域推廣和應用。」汪東認為。

「我覺得DSP芯片在2025年實現70%的國產化率目標非常有可能。」

市場環境的變化也給國產DSP的突破帶來機遇。由於疫情、產能、國際形勢等因素,2020年下半年以來「缺芯」已成為芯片行業的普遍現象。

汪東說:「從我們近期的調研得到的反饋,國內很多用戶都在積極尋找國產替代方案,這時候如果國產芯片能夠及時供應,確實是很好的市場機遇。由於我們的DSP都立足國內比較成熟的製造和封裝工藝,也有保證產能的渠道,目前產能緊張的問題對我們影響不大,缺芯反而是一個彎道超車的機遇。」

同樣值得注意的是,ADI在去年宣布收購美信半導體,ADI作為DSP巨頭之一,這筆收購可能會改變DSP市場的競爭格局。當然,最終帶來的是更大挑戰還是更多的機會,都需要等待收購完成以及巨頭的業務調整來進一步評估。

小結

相比CPU的國產替代,DSP實現高端國產替代無論是技術還是生態層面都更有優勢。特別是,DSP在某些特殊領域已經有超過80%的國產化率,能夠滿足要求嚴苛的場景需求,在民用市場也有希望快速提升國產化率,實現從不到10%到70%甚至更高國產化率的快速躍升。

當然,就像解決EDA工具「卡脖子」問題需要更多資本和人才的加入一樣,DSP行業也需要資本更多的關注,早日實現國產高端DSP的自主可控和可持續發展。雷鋒網


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