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(xué)微電子學(xué)院  汪苓 郭箏 王琴
摘要：
本文探討了世界DSP市場與技術(shù)格局的發(fā)展趨勢，介紹了漢芯DSP的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，闡明了只有擁有自主的DSP核心技術(shù)，并且將其應(yīng)用于整機(jī)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(guān)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(shè)計(jì)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(xiàng)目規(guī)劃、管理。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(qiáng)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(fù)雜的功能，目前，系統(tǒng)芯片（SoC，System on Chip），以IP復(fù)用為基礎(chǔ)，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(shè)計(jì)之中,實(shí)現(xiàn)了集成電路設(shè)計(jì)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(shù)也已經(jīng)成為集成電路設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一。

一、世界DSP市場
DSP和CPU被公認(rèn)為半導(dǎo)體行業(yè)的兩大核心技術(shù)。隨著人們對信息的快速、精準(zhǔn)處理的要求，DSP在芯片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用迅速增加。據(jù)Forward Concepts的統(tǒng)計(jì)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(dǎo)體行業(yè)快50%。預(yù)計(jì)在2005年，全球DSP市場在IC領(lǐng)域所占比重將超過30%，達(dá)到100億美元，到2007年，將達(dá)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(lǐng)域的DSP占有最大的市場份額，約占48%，在計(jì)算機(jī)和modem領(lǐng)域占30%，硬盤機(jī)占12%，消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域占5%；在軍事航天領(lǐng)域占5%。近兩年隨著消費(fèi)電子市場的崛起，DSP在消費(fèi)電子中的應(yīng)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(lǐng)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(shù)格局與走勢
目前DSP相關(guān)核心技術(shù)主要掌握在國外公司手中?？v觀國內(nèi)外DSP的發(fā)展?fàn)顩r，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(jì)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(shù)，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(yù)測為21世紀(jì)初該公司的主流產(chǎn)品。其中TMS320C2000屬于16位定點(diǎn)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(diǎn)、40-200MIPS，主要用于有線通信和無線通信設(shè)備、IP電話、尋呼機(jī)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(luò)系統(tǒng)、中心局交換機(jī)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(dá)1200MMACS/3000RISCMIPS，而工作電壓僅為0.9-1.5V，適用于集中式運(yùn)算的下一代通信應(yīng)用，如3G無線手機(jī)和基站、局用交換設(shè)備、DSL和VoIP等。
中國的DSP技術(shù)起步較早，全國有百余所高校研究所從事DSP算法的教學(xué)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(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化方面的工作進(jìn)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(dá)到200MHz并采用0.18微米工藝流片的16位定點(diǎn)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(xiàng)目得到王陽元、鄒世昌、許居衍等院士和863計(jì)劃IC專家組組長嚴(yán)曉浪教授的權(quán)威鑒定："漢芯一號"及其設(shè)計(jì)、應(yīng)用開發(fā)平臺屬于國內(nèi)首創(chuàng)，達(dá)到了國際先進(jìn)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(xué)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(dǎo)體工藝設(shè)計(jì)，具有每秒1.5億次指令的運(yùn)算速度和150Mhz的時鐘主頻。國家863計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目“漢芯三號---32位DSP芯片”，主頻達(dá)到300MHz/600MIPs，采用低功耗設(shè)計(jì)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(rèn)為，漢芯三號芯片達(dá)到了國際著名公司同類產(chǎn)品的先進(jìn)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(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)
漢芯系列DSP共申請12項(xiàng)專利和一項(xiàng)布圖保護(hù)，創(chuàng)新點(diǎn)包括支持多字指令格式，片上存儲器和Cache是可切換結(jié)構(gòu)，Cache容量可重構(gòu)，快速響應(yīng)中斷結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的可嵌套硬LOOP結(jié)構(gòu)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(lǐng)先、國際先進(jìn)水平，但價格遠(yuǎn)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(lǐng)域大顯身手。
其他主要創(chuàng)新點(diǎn)有：
1）多級靈活Cache結(jié)構(gòu)
為了平衡處理器和存儲器之間的速度差異，進(jìn)一步降低DSP對存儲器的訪存壓力，漢芯系列DSP芯片設(shè)計(jì)了高效靈活的Cache結(jié)構(gòu)，采用帶有二級Cache的改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，單周期能夠執(zhí)行多條指令。針對不同的設(shè)備應(yīng)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(shí)用的。

圖3 帶有二級Cache的改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)

2）深度流水線結(jié)構(gòu)
漢芯系列DSP采用多級深度流水線結(jié)構(gòu)，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(gòu)示意圖
3）低功耗技術(shù)
漢芯系列DSP在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法，包括專門的低功耗標(biāo)準(zhǔn)元件庫，低功耗為重要指標(biāo)的電路綜合流程，芯片等待停止模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，和智能化電源管理電路等技術(shù)。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(lǐng)先水平。
4）強(qiáng)大的配套應(yīng)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(shè)計(jì)上如何設(shè)計(jì)編譯優(yōu)化算法是實(shí)現(xiàn)高效并行處理的關(guān)鍵所在。

五、主要應(yīng)用
基于漢芯DSP目前已在研發(fā)音視頻消費(fèi)電子、信息安全、國防等領(lǐng)域的多種應(yīng)用方案。
1） 音頻應(yīng)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(shí)現(xiàn)MP3功能十分方便?；跐h芯二號DSP的MP3實(shí)現(xiàn)方式，可實(shí)現(xiàn)以下功能：
* 數(shù)據(jù)互通：具有多種常用的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)、手機(jī)等設(shè)備進(jìn)行資料交換，從而達(dá)到備份或復(fù)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(jī)放大和單聲道揚(yáng)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(shù)，雙通道額外立體聲輸入（AUX）可以進(jìn)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(jìn)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(jī)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(guān)鍵的芯片技術(shù)。由于具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，它能突破許多現(xiàn)有的單片機(jī)（MCU）無法解決的技術(shù)瓶頸。家電中的模糊控制、變頻控制、聲音控制等關(guān)鍵技術(shù)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(shù)。成熟的DSP芯片同樣能夠提供強(qiáng)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(lǐng)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?yàn)樾盘柼幚硭俣戎苯雨P(guān)系到戰(zhàn)場上作戰(zhàn)的反應(yīng)速度，是決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵因素。我國武器裝備、航天技術(shù)等核心部門和高端領(lǐng)域使用的各種設(shè)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(shè)的芯片。漢芯系列高性能DSP具有自主知識產(chǎn)權(quán)，必將大量應(yīng)用于我國武器裝備的改造，替代進(jìn)口芯片產(chǎn)品，擺脫對進(jìn)口高端芯片的依賴，實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)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(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力，十足的團(tuán)隊(duì)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(lǐng)域問鼎中國市場將指日可待。
參考文獻(xiàn)
[1] 王琴 “漢芯，IC時代的弄潮兒” 集成電路應(yīng)用 2004.10
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