作者 | 包永剛

出品 | 雷鋒網(wǎng)產(chǎn)業(yè)組

2020年8月國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》提出，中國(guó)芯片自給率要在2025年達(dá)到70%。被稱(chēng)為國(guó)產(chǎn)芯片“四大件”的CPU、GPU、FPGA、DSP無(wú)論對(duì)于國(guó)產(chǎn)芯片自給率的提升還是解決高端芯片“卡脖子”問(wèn)題都意義深遠(yuǎn)。

雷鋒網(wǎng)(公眾號(hào)：雷鋒網(wǎng))推出的《國(guó)產(chǎn)芯片四大件》系列文章，分別解讀國(guó)產(chǎn)CPU、GPU、FPGA、DSP的現(xiàn)狀，透過(guò)投資者視角發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)芯片機(jī)遇。

2020年，中國(guó)進(jìn)口各類(lèi)芯片的總額攀升至3800億美元，連續(xù)6年超過(guò)石油進(jìn)口額，成為貿(mào)易逆差的最大來(lái)源，占全球芯片需求量的45%以上。在這一形勢(shì)下，以美國(guó)為首的歐美國(guó)家卻不斷通過(guò)“貿(mào)易摩擦”、各種制裁和禁運(yùn)，對(duì)出口到中國(guó)的芯片特別是高端芯片“卡脖子”。

2020年8月國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》提出，中國(guó)芯片自給率要在2025年達(dá)到70%。因此，加快高端芯片的自主研發(fā)與國(guó)產(chǎn)替代愈發(fā)迫切，重要性與日俱增。

DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器）是一類(lèi)嵌入式通用可編程微處理器，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、識(shí)別、變換、增強(qiáng)、控制等算法處理，是各類(lèi)嵌入式系統(tǒng)的“大腦”，應(yīng)用十分普遍。DSP與CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理器）、FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）通常被看成是高端芯片的“四大件”，其國(guó)產(chǎn)化替代對(duì)于提升芯片自給率具有重要意義。

我國(guó)的國(guó)產(chǎn)DSP雖然起步較晚，但發(fā)展很快，在某些特定領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化率已經(jīng)較高，2025年非常有可能實(shí)現(xiàn)70%的目標(biāo)。

國(guó)產(chǎn)DSP在某些領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化率已達(dá)80%以上

相比CPU、GPU和FPGA，同屬于高端芯片的DSP受關(guān)注程度明顯低很多。DSP芯片一般采用程序總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)分開(kāi)的哈佛架構(gòu)，常常具有專(zhuān)門(mén)的硬件加速模塊，能夠快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)算法處理與實(shí)時(shí)控制。

轂梁微電子副總經(jīng)理汪東對(duì)雷鋒網(wǎng)表示：“DSP相比CPU功能更加專(zhuān)一，相比GPU分屬不同領(lǐng)域，相比FPGA計(jì)算效率更高。它更多時(shí)間是在做默默無(wú)聞的計(jì)算處理工作，所以大家對(duì)DSP的關(guān)注會(huì)相對(duì)少一些，但已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、家電、汽車(chē)、高鐵、工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等諸多領(lǐng)域，市場(chǎng)需求量很大?！?/strong>

湖南轂梁微電子副總經(jīng)理汪東

雖然受關(guān)注程度不如CPU，起步較晚的國(guó)產(chǎn)DSP發(fā)展卻很快。全球第一塊單片DSP在1980年誕生，此后，TI、ADI、摩托羅拉等公司不斷推出不同檔次的DSP產(chǎn)品并逐步占領(lǐng)全球市場(chǎng)。

我國(guó)在“十一五”規(guī)劃期間，通過(guò)“核高基”科技重大專(zhuān)項(xiàng)部署了多個(gè)國(guó)產(chǎn)高性能DSP的研制任務(wù)。2012年，由中國(guó)電科第十四所牽頭研制的“華睿1號(hào)”國(guó)產(chǎn)DSP課題通過(guò)驗(yàn)收，并開(kāi)展大規(guī)模應(yīng)用部署。同年，由中國(guó)電科第三十八所自主研制的“魂芯1號(hào)”國(guó)產(chǎn)DSP也完成了測(cè)試，性能可以達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際主流水平。

“其實(shí)在華睿1號(hào)推出之前10年，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有單位自主研制出了首款國(guó)產(chǎn)DSP，在這之后的近20年時(shí)間內(nèi)，國(guó)產(chǎn)DSP也像CPU那樣，經(jīng)過(guò)了從反向設(shè)計(jì)到正向設(shè)計(jì)，從兼容替代到完全自主的發(fā)展歷程。“汪東說(shuō)，“由于某些特殊領(lǐng)域?qū)SP的國(guó)產(chǎn)化需求更高，更迫切，因此國(guó)產(chǎn)DSP在這些領(lǐng)域的應(yīng)用推廣比較快，國(guó)產(chǎn)化比例已達(dá)到80%以上。其它領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)DSP的自給率還不足10%。”

雖然國(guó)產(chǎn)DSP在某些特殊領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化率較高，但這些特殊領(lǐng)域的市場(chǎng)份額僅占全部DSP市場(chǎng)份額的5%不到，而其最主要的三大應(yīng)用市場(chǎng)是通信（56%）、計(jì)算（21%）、消費(fèi)電子和自動(dòng)控制（11%）。

因此，國(guó)產(chǎn)DSP在民用市場(chǎng)提升國(guó)產(chǎn)化率才能真正實(shí)現(xiàn)這類(lèi)高端芯片的自主可控。

DSP國(guó)產(chǎn)替代比CPU更容易

與衡量其它邏輯計(jì)算芯片類(lèi)似，DSP的主要指標(biāo)包括其工作主頻、每秒運(yùn)算次數(shù)、內(nèi)存大小、接口類(lèi)型和數(shù)量等。從目前來(lái)看，DSP需要滿(mǎn)足各種嵌入式系統(tǒng)集成化、智能化、模塊化、低功耗的發(fā)展趨勢(shì)，將朝著數(shù)據(jù)處理能力越來(lái)越強(qiáng)、接口集成度越來(lái)越高、功耗越來(lái)越低等方向發(fā)展。

汪東認(rèn)為，“國(guó)產(chǎn)高端DSP這些年有很大突破。但在設(shè)計(jì)高端DSP時(shí)也面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，包括先進(jìn)工藝制程下的高頻設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理能力的提升，數(shù)字模擬混合電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)等?！?/strong>

挑戰(zhàn)雖多，但相比CPU的高端國(guó)產(chǎn)替代，DSP從芯片設(shè)計(jì)到工藝實(shí)現(xiàn)再到生態(tài)構(gòu)建都更容易實(shí)現(xiàn)自主可控，還能更適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。汪東說(shuō)：“國(guó)際巨頭DSP公司的部分芯片指令集知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)已過(guò)期，因此至少?gòu)膰?guó)內(nèi)看，研發(fā)與這類(lèi)DSP芯片指令集兼容的國(guó)產(chǎn)DSP不需要通過(guò)授權(quán)?！?/p>

ARM、x86等CPU體系結(jié)構(gòu)（含指令集）更新頻繁，導(dǎo)致用戶(hù)無(wú)法擺脫原廠(chǎng)的架構(gòu)授權(quán)，而DSP指令集更新速度遠(yuǎn)低于CPU，這意味著它基本上不再需要原廠(chǎng)授權(quán)，可以從源頭上解決卡脖子問(wèn)題。不過(guò)，由于DSP芯片設(shè)計(jì)也需要使用EDA工具，因此在這一環(huán)節(jié)面臨的挑戰(zhàn)與CPU一樣。

制造環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)的制造水平也足以支撐高端DSP?！皣?guó)內(nèi)最先進(jìn)的高端DSP用到了12～14nm制程，而對(duì)于面向工業(yè)控制的中低端DSP，使用55nm甚至110nm工藝就夠了?！蓖魱|說(shuō)。

除了硬件方面的挑戰(zhàn)，軟件生態(tài)也是國(guó)內(nèi)芯片實(shí)現(xiàn)高端突破面臨的共同挑戰(zhàn)。汪東表示：“幸運(yùn)的是，DSP的計(jì)算任務(wù)比較專(zhuān)一，生態(tài)鏈相比CPU短很多，不需要適配很復(fù)雜的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等基礎(chǔ)軟件和各種各樣的上層應(yīng)用軟件，這樣構(gòu)建和推廣全自主的國(guó)產(chǎn)DSP更加容易。”

成立于2018年，核心團(tuán)隊(duì)來(lái)自國(guó)防科技大學(xué)的轂梁微自主研制成功“麓山”系列國(guó)產(chǎn)DSP，已經(jīng)在智能制造領(lǐng)域開(kāi)始推廣應(yīng)用，同時(shí)還將推出全自主的“韶山”系列通用DSP。雷鋒網(wǎng)了解到，轂梁微的這種全自主DSP采用了國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的多并行態(tài)融合創(chuàng)新架構(gòu)，從芯片的基本指令集到體系架構(gòu)都是自主創(chuàng)新，具有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

“我們DSP的架構(gòu)無(wú)論是從國(guó)內(nèi)還是國(guó)際看，都處于領(lǐng)先水平，它在同樣流片工藝下的能效比，比國(guó)際主流高性能DSP高一倍，而且能夠根據(jù)不同應(yīng)用需求擴(kuò)展為2～16核，可裁剪、可定制?！?/p>

汪東進(jìn)一步表示：“開(kāi)發(fā)軟件方面我們完成了1.0版本的研發(fā)，借鑒了國(guó)際上主流的開(kāi)源編譯框架，無(wú)論是界面還是友好性方面都讓用戶(hù)能夠容易上手，非常方便其原有程序的移植和國(guó)產(chǎn)化替代，最后的代碼編譯效率也不錯(cuò)?！?/p>

“不能盲目地推出全自主的DSP，這可能會(huì)很難找到它的用武之地。我們正在和一些用戶(hù)積極探討和合作，針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，最大限度提升DSP區(qū)別于CPU和MCU的優(yōu)勢(shì)?！蓖魱|同時(shí)表示。

抓住缺芯機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)70%國(guó)產(chǎn)化率的目標(biāo)前景可期

除了技術(shù)和生態(tài)方面的優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)DSP也更容易針對(duì)國(guó)內(nèi)用戶(hù)的痛點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足用戶(hù)需求。比如在安全性方面，對(duì)于涉及金融、能源、軌道交通等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)對(duì)安全性要求很高，采用國(guó)產(chǎn)核心芯片就可以針對(duì)安全問(wèn)題進(jìn)行加強(qiáng)處理。

據(jù)悉，轂梁微的DSP更多是通過(guò)硬件的方式來(lái)增強(qiáng)DSP的數(shù)據(jù)加密和自我保護(hù)能力。

國(guó)產(chǎn)DSP還可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得國(guó)內(nèi)客戶(hù)的青睞。汪東舉例說(shuō)，某大廠(chǎng)的DSP雖集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），但用戶(hù)在實(shí)際使用時(shí)發(fā)現(xiàn)其精度不高，需要在DSP外單獨(dú)增加高精度ADC芯片，不但浪費(fèi)了資源，還提高了整體成本。轂梁微針對(duì)這一痛點(diǎn)，集成精度更高的ADC，不僅整體的體積、功耗更低，還大大節(jié)省了用戶(hù)成本。

“工業(yè)控制、裝備制造、工程機(jī)械、軌道交通、汽車(chē)電子等行業(yè)都是國(guó)產(chǎn)DSP實(shí)現(xiàn)高端突破的切入點(diǎn)。因?yàn)檫@些市場(chǎng)不僅需求量大，對(duì)于實(shí)現(xiàn)自主可控的迫切性也更高。一旦在關(guān)鍵行業(yè)實(shí)現(xiàn)突破，就會(huì)形成產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)效應(yīng)，加速?lài)?guó)產(chǎn)DSP向更多市場(chǎng)領(lǐng)域推廣和應(yīng)用。”汪東認(rèn)為。

“我覺(jué)得DSP芯片在2025年實(shí)現(xiàn)70%的國(guó)產(chǎn)化率目標(biāo)非常有可能?！?/strong>

市場(chǎng)環(huán)境的變化也給國(guó)產(chǎn)DSP的突破帶來(lái)機(jī)遇。由于疫情、產(chǎn)能、國(guó)際形勢(shì)等因素，2020年下半年以來(lái)“缺芯”已成為芯片行業(yè)的普遍現(xiàn)象。

汪東說(shuō)：“從我們近期的調(diào)研得到的反饋，國(guó)內(nèi)很多用戶(hù)都在積極尋找國(guó)產(chǎn)替代方案，這時(shí)候如果國(guó)產(chǎn)芯片能夠及時(shí)供應(yīng)，確實(shí)是很好的市場(chǎng)機(jī)遇。由于我們的DSP都立足國(guó)內(nèi)比較成熟的制造和封裝工藝，也有保證產(chǎn)能的渠道，目前產(chǎn)能緊張的問(wèn)題對(duì)我們影響不大，缺芯反而是一個(gè)彎道超車(chē)的機(jī)遇。”

同樣值得注意的是，ADI在去年宣布收購(gòu)美信半導(dǎo)體，ADI作為DSP巨頭之一，這筆收購(gòu)可能會(huì)改變DSP市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局。當(dāng)然，最終帶來(lái)的是更大挑戰(zhàn)還是更多的機(jī)會(huì)，都需要等待收購(gòu)?fù)瓿梢约熬揞^的業(yè)務(wù)調(diào)整來(lái)進(jìn)一步評(píng)估。

小結(jié)

相比CPU的國(guó)產(chǎn)替代，DSP實(shí)現(xiàn)高端國(guó)產(chǎn)替代無(wú)論是技術(shù)還是生態(tài)層面都更有優(yōu)勢(shì)。特別是，DSP在某些特殊領(lǐng)域已經(jīng)有超過(guò)80%的國(guó)產(chǎn)化率，能夠滿(mǎn)足要求嚴(yán)苛的場(chǎng)景需求，在民用市場(chǎng)也有希望快速提升國(guó)產(chǎn)化率，實(shí)現(xiàn)從不到10%到70%甚至更高國(guó)產(chǎn)化率的快速躍升。

當(dāng)然，就像解決EDA工具“卡脖子”問(wèn)題需要更多資本和人才的加入一樣，DSP行業(yè)也需要資本更多的關(guān)注，早日實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)高端DSP的自主可控和可持續(xù)發(fā)展。雷鋒網(wǎng)

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