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作者 | 包永剛
出品 | 雷鋒網產業組
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%。被稱為國產芯片“四大件”的CPU、GPU、FPGA、DSP無論對于國產芯片自給率的提升還是解決高端芯片“卡脖子”問題都意義深遠。
雷鋒網(公眾號：雷鋒網)推出的《國產芯片四大件》系列文章，分別解讀國產CPU、GPU、FPGA、DSP的現狀，透過投資者視角發現國產芯片機遇。
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，占全球芯片需求量的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，主要用于實現對信號的采集、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”，其國產化替代對于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，同屬于高端芯片的DSP受關注程度明顯低很多。DSP芯片一般采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，但已經廣泛應用于手機、家電、汽車、高鐵、工業機器人、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，此后，TI、ADI、摩托羅拉等公司不斷推出不同檔次的DSP產品并逐步占領全球市場。
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的研制任務。2012年，由中國電科第十四所牽頭研制的“華睿1號”國產DSP課題通過驗收，并開展大規模應用部署。同年，由中國電科第三十八所自主研制的“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制出了首款國產DSP，在這之后的近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，“由于某些特殊領域對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占全部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，將朝著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，包括先進工藝制程下的高頻設計，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于CPU，這意味著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，由于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。
制造環節，國內的制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制程，而對于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，不需要適配很復雜的操作系統、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。”
成立于2018年，核心團隊來自國防科技大學的轂梁微自主研制成功“麓山”系列國產DSP，已經在智能制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采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，都處于領先水平，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、可定制。”
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，最后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制設計，最大限度提升DSP區別于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，對于涉及金融、能源、軌道交通等關鍵基礎設施行業對安全性要求很高，采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、裝備制造、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，對于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。由于疫情、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。由于我們的DSP都立足國內比較成熟的制造和封裝工藝，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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