高性能漢芯系列

高性能漢芯系列DSP
High Performance Hisys series DSPs
上海交通大學微電子學院  汪苓 郭箏 王琴
摘要：
本文探討了世界DSP市場與技術格局的發(fā)展趨勢，介紹了漢芯DSP的技術水平和產(chǎn)業(yè)化進程，闡明了只有擁有自主的DSP核心技術，并且將其應用于整機產(chǎn)品中，才能真正體現(xiàn)其價值，從而推動整個信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關鍵字：DSP；系統(tǒng)芯片
本文于4月22日收到。汪苓：工程師，主要從事芯片前端設計工作；郭箏：助教，主要從事DSP芯片測試工作；王琴：副教授，主要從事項目規(guī)劃、管理。

隨著現(xiàn)代計算機技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，以集成電路為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)超過了以汽車、石油、鋼鐵為代表的傳統(tǒng)工業(yè)成為第一大產(chǎn)業(yè)，成為改造和拉動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)邁向數(shù)字時代的強大引擎和雄厚基石。集成電路的發(fā)展趨勢也由簡單功能轉(zhuǎn)向具備更多和更為復雜的功能，目前，系統(tǒng)芯片（SoC，System on Chip），以IP復用為基礎，把已有優(yōu)化的子系統(tǒng)甚至系統(tǒng)級模塊納入到新的系統(tǒng)設計之中,實現(xiàn)了集成電路設計能力的第4次飛躍。近幾年迅速發(fā)展的SoC芯片大多以DSP和MCU為核心。因此，DSP技術也已經(jīng)成為集成電路設計的核心技術之一。

一、世界DSP市場
DSP和CPU被公認為半導體行業(yè)的兩大核心技術。隨著人們對信息的快速、精準處理的要求，DSP在芯片設計中的應用迅速增加。據(jù)Forward Concepts的統(tǒng)計顯示：DSP產(chǎn)品市場每年正以30%的增幅大幅度增長，比整個半導體行業(yè)快50%。預計在2005年，全球DSP市場在IC領域所占比重將超過30%，達到100億美元，到2007年，將達到500億美元。
另外，據(jù)市場調(diào)查公司ICE的資料顯示，2002年在全球DSP市場上，用于通信新產(chǎn)品領域的DSP占有最大的市場份額，約占48%，在計算機和modem領域占30%，硬盤機占12%，消費電子產(chǎn)品領域占5%；在軍事航天領域占5%。近兩年隨著消費電子市場的崛起，DSP在消費電子中的應用飛速發(fā)展。
在如此巨大的全球DSP市場前，云集了一批世界級的電子廠商，其中TI、Analog Devices、Lucent和Freescale幾家公司占領了DSP市場的大部分，還有一小部分被Hitachi、NEC、STMicroelectonics和Zilog等公司占據(jù)。

二、DSP技術格局與走勢
目前DSP相關核心技術主要掌握在國外公司手中。縱觀國內(nèi)外DSP的發(fā)展狀況，DSP的發(fā)展趨勢可歸納為：高集成度、高速、低功耗、抗干擾和高可靠方向。
TI不久前制定的該公司在21世紀初的產(chǎn)品發(fā)展策略是：以DSP產(chǎn)品為核心，融合MCU、MPU（混合信號產(chǎn)品）和存儲器等多種產(chǎn)品和技術，為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)字信號處理解決方案（DSPS）。其推出的TMS320C2000、TMS320C5000以及TMS320C6000被專家預測為21世紀初該公司的主流產(chǎn)品。其中TMS320C2000屬于16位定點DSP，速度20MIPS，主要用于電話等通信產(chǎn)品；TMS320C5000系列芯片屬于低功耗高性能DSP，16位定點、40-200MIPS，主要用于有線通信和無線通信設備、IP電話、尋呼機以及多種便攜式信息系統(tǒng)；TMS320C6000屬于高性能DSP，速度在1200-2000MIPS，可用于無線基站、網(wǎng)絡系統(tǒng)、中心局交換機以及ADSL Modem等。
Agere和Motorola這兩家通信業(yè)巨頭聯(lián)合成立的StarCore推出的高性能SC140DSP內(nèi)核，可以使用戶的無線產(chǎn)品開發(fā)時間減少50%以上，在300MHz時，這種DSP的性能可達1200MMACS/3000RISCMIPS，而工作電壓僅為0.9-1.5V，適用于集中式運算的下一代通信應用，如3G無線手機和基站、局用交換設備、DSL和VoIP等。
中國的DSP技術起步較早，全國有百余所高校研究所從事DSP算法的教學與科研。目前在信號處理理論和算法方面與國外差距不大，但是系統(tǒng)芯片的實用化、產(chǎn)業(yè)化方面的工作進展緩慢。適合開發(fā)的國內(nèi)DSP市場包括家電、軍工、汽車、信息安全和玩具市場。中國的DSP處理器和其衍生芯片必將是針對這些巨大市場而開發(fā)的。

三、漢芯DSP產(chǎn)品
依托長三角集成電路產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢，在漢芯人的共同努力下，"漢芯一號"－國內(nèi)第一款自主研發(fā)、速度達到200MHz并采用0.18微米工藝流片的16位定點數(shù)字信號處理器于2002年2月26日面世。"漢芯一號"高性能DSP芯片項目得到王陽元、鄒世昌、許居衍等院士和863計劃IC專家組組長嚴曉浪教授的權威鑒定："漢芯一號"及其設計、應用開發(fā)平臺屬于國內(nèi)首創(chuàng)，達到了國際先進水平，是中國的芯片發(fā)展史上一個重要的里程碑。
漢芯二號、三號是上海交通大學繼“漢芯一號”之后的又兩個重大科研成果?！皾h芯二號、三號”高性能DSP芯片作為漢芯家族的新成員，在性能和開發(fā)支持等方面又有了較大的發(fā)展。漢芯二號24位DSP芯片采用0.15~0.18微米半導體工藝設計，具有每秒1.5億次指令的運算速度和150Mhz的時鐘主頻。國家863計劃的重點項目“漢芯三號---32位DSP芯片”，主頻達到300MHz/600MIPs，采用低功耗設計方法，平均功耗僅為30mw/100MHz，已超出國家863原定的性能要求。專家一致認為，漢芯三號芯片達到了國際著名公司同類產(chǎn)品的先進水平，是我國高性能、低功耗32位DSP芯片研究的重大突破。
   
圖1 漢芯一號

圖2 漢芯三號

四、核心技術和創(chuàng)新點
漢芯系列DSP共申請12項專利和一項布圖保護，創(chuàng)新點包括支持多字指令格式，片上存儲器和Cache是可切換結(jié)構，Cache容量可重構，快速響應中斷結(jié)構，獨特的可嵌套硬LOOP結(jié)構可加快算法速度，提供多種低功耗工作方式。漢芯系列DSP和國外同類產(chǎn)品相比，性能處于國內(nèi)領先、國際先進水平，但價格遠低于國外產(chǎn)品，良好的性價比將在信息家電、音頻處理、多媒體通信等領域大顯身手。
其他主要創(chuàng)新點有：
1）多級靈活Cache結(jié)構
為了平衡處理器和存儲器之間的速度差異，進一步降低DSP對存儲器的訪存壓力，漢芯系列DSP芯片設計了高效靈活的Cache結(jié)構，采用帶有二級Cache的改進的哈佛結(jié)構，單周期能夠執(zhí)行多條指令。針對不同的設備應用，Cache的容量是可以動態(tài)調(diào)整，因此Cache模塊是十分靈活實用的。

圖3 帶有二級Cache的改進的哈佛結(jié)構

2）深度流水線結(jié)構
漢芯系列DSP采用多級深度流水線結(jié)構，單周期并發(fā)多條指令，Load和Store在流水線的同一級執(zhí)行，消除了讀和寫內(nèi)存沖突。

圖4多級流水線結(jié)構示意圖
3）低功耗技術
漢芯系列DSP在設計時已考慮到低功耗的需求，大量使用專門針對低功耗的VLSI設計方法，包括專門的低功耗標準元件庫，低功耗為重要指標的電路綜合流程，芯片等待停止模式的結(jié)構設計，和智能化電源管理電路等技術。除了正常工作模式外，DSP核還支持SLEEP和STOP兩個更低功耗模式，最終使得處理器的功耗處于同類產(chǎn)品的領先水平。
4）強大的配套應用開發(fā)環(huán)境
軟件部分共包括仿真器、調(diào)試器、匯編器和高級語言編譯器，高級語言編譯器可以提供用戶簡便的編程方式，同時在設計上如何設計編譯優(yōu)化算法是實現(xiàn)高效并行處理的關鍵所在。

五、主要應用
基于漢芯DSP目前已在研發(fā)音視頻消費電子、信息安全、國防等領域的多種應用方案。
1） 音頻應用：漢芯二號
DSP芯片為語音信號處理提供了更好的信號保真度，使之實現(xiàn)MP3功能十分方便?；跐h芯二號DSP的MP3實現(xiàn)方式，可實現(xiàn)以下功能：
* 數(shù)據(jù)互通：具有多種常用的標準接口，可以通過USB線、MMC/SD卡、紅外端口、串行口等方式同PC、筆記本電腦、數(shù)碼相機、手機等設備進行資料交換，從而達到備份或復制的目的。
* 多媒體：震撼的多媒體功能，無需主時鐘輸入，支持MP3和MPEG播放，集成立體聲耳機放大和單聲道揚聲器放大，模擬音量和平衡調(diào)節(jié)從+18~75 dB并且可以靜音，采用了超采樣和多bit噪聲整形技術，雙通道額外立體聲輸入（AUX）可以進行聲源選擇和混音，具有無可比擬的視聽感受；錄音功能則可將使用者的聲音錄制，并可以進行壓縮方便存儲。
2）信息家電產(chǎn)品：漢芯一號、三號
我國已經(jīng)成為世界上最大的電器制造國之一，主要電器的年產(chǎn)量居于世界前茅。但是國內(nèi)的家電產(chǎn)業(yè)，主要用昂貴的國外芯片，國內(nèi)生產(chǎn)廠家僅僅是從事簡單、低附加值的加工，而整機過程所獲利潤在電子產(chǎn)品中所占比例不到10%。從本質(zhì)上看，DSP是家電升級換代最關鍵的芯片技術。由于具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，它能突破許多現(xiàn)有的單片機（MCU）無法解決的技術瓶頸。家電中的模糊控制、變頻控制、聲音控制等關鍵技術都是以DSP芯片為核心而形成的。
以數(shù)字高清電視為例，DSP是高清電視等信息家電產(chǎn)品的核心技術。成熟的DSP芯片同樣能夠提供強大的基于MPEG2的視頻解碼功能。以漢芯DSP為核心的視頻解碼器能夠滿足HDTV視頻高速處理信號的要求，并減小外部干擾信號的影響，從而提高視頻的質(zhì)量。
3）國家核心部門和高端領域：漢芯一號
現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中，各種武器裝備對信號處理速度的要求都很高，因為信號處理速度直接關系到戰(zhàn)場上作戰(zhàn)的反應速度，是決定戰(zhàn)爭勝負的關鍵因素。我國武器裝備、航天技術等核心部門和高端領域使用的各種設備基本硬件的核心芯片，長期依賴美、日兩國是斷然不可行的，我國必須自主研發(fā)出適合我國國防建設的芯片。漢芯系列高性能DSP具有自主知識產(chǎn)權，必將大量應用于我國武器裝備的改造，替代進口芯片產(chǎn)品，擺脫對進口高端芯片的依賴，實現(xiàn)科技強軍，提升中國在國際軍事戰(zhàn)略中的地位！

總而言之，漢芯的產(chǎn)業(yè)化，對于我國的信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無疑將產(chǎn)生巨大的推動力。強大的研發(fā)實力，十足的團隊活力，讓漢芯在這條路上奮然前行，逐步邁向成熟。相信，在系統(tǒng)產(chǎn)品領域問鼎中國市場將指日可待。
參考文獻
[1] 王琴 “漢芯，IC時代的弄潮兒” 集成電路應用 2004.10
[2] Yervant Zorian "Test Requirements for Embedded Core-basde System and IEEE P1500" International Test Conference 1997 IEEE
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