国产DSP能给缺芯“止痛”?

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。

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。

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。

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。

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。雷锋网


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