芯科普:淺談相愛相殺的DSP和FPGA

DSP是什麼?

DSP(Digital Signal Process),即數字信號處理技術,DSP芯片,指能夠實現數字信號處理技術的芯片。近年來,DSP芯片已經廣泛用於自動控制、圖像處理、通信技術、網絡設備、儀器儀表和家電等領域;DSP為數字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎。


主要應用場景

語音處理——語音編碼,語音合成,語音識別,語音郵件,語音增強,語音存儲等。

信號處理——如,數字濾波、自適應濾波、快速傅里葉變換、相關運算、頻譜分析、卷積等。

通信——如,調制解調器、自適應均衡、數據加密、數據壓縮、回坡抵消、多路複用、傳真、擴頻通信、糾錯編碼、波形產生等。


圖像/圖形——如二維和三維圖形處理、電子地圖,圖像壓縮與傳輸、圖像增強、動畫、多媒體,機器人視覺等。

軍事——如全球定位,搜索,保密通信、雷達處理、聲納處理、自動火炮控制、巡航導彈、預警飛機、相控陣天線等。

儀器儀表——如頻譜分析、函數發生、鎖相環、地震處理等。

自動控制——如引擎控制、深空、無人駕駛、機器人控制、磁盤控制。

醫療——如助聽、超聲設備、診斷工具、病人監護等。


目前DSP國外主要生產商:

德州儀器(TI)、模擬器件公司(ADI)、摩托羅拉(Motorola)、恩智浦(NXP)、傑爾系統(AgereSystems)。


簡單聊兩家情況TI和摩托羅拉


德州儀器公司(TI)

TI是 DSP 業界公認的龍頭老大,公司在 1982 年成功推出了其第 一代 DSP 芯片 TMS32010,由於 TMS320 系列 DSP 芯片具有價格低廉、簡單易用、 功能強大等特點,所以逐漸成為目前最有影響、最為成功的 DSP 系列處理器。在 TI 公司主打的三個系列中,c2000 系列現在所佔市場份額較小,如今 TI 官網上的 DSP 產品主要以 c6000 與 c5000 為主。TI 公司的 DSP 產品主要應用範圍在機器視覺、航空電子和國防、尺寸、重量和功耗 (SWAP)、音頻、視頻編碼/解碼與生物識別領域。


摩托羅拉公司

摩托羅拉公司也是全球較大的 DSP 芯片生產商,其產品包括定點的和浮點的,專用 的和通用的,16 位和 24 位以及 32 位。DSP 芯片主要應用於語音處理、通信、數字 相機、多媒體、控制等領域。


DSP 芯片發展趨勢: 集成化和可編程


DSP 芯核集成度越來越高。

縮小 DSP 芯片尺寸一直是 DSP 技術的發展趨勢,當前使用較多的是基於 RISC 結構,隨著新工藝技術的引入,越來越多的製造商開始改進 DSP 芯核,並且把多個 DSP 芯核、MPU 芯核以及外圍的電路單元集成在一個芯片 上,實現了 DSP 系統級的集成電路。


可編程 DSP 芯片將是未來主導產品。

隨著個性化發展的需要,DSP 的可編程化為生 產廠商提供了更多靈活性,滿足廠家在同一個 DSP 芯片上開發出更多不同型號特徵 的系列產品,也使得廣大用戶對於 DSP 的升級換代。例如冰箱、洗衣機,這些原來 裝有微控制器的家電如今已換成可編程 DSP 來進行大功率電機控制。


定點 DSP 佔據主流。

目前,市場上所銷售的 DSP 器件中,佔據主流產品的依然是 16 位的定點可編程 DSP 器件,隨著 DSP 定點運算器件成本的不斷低,能耗越來越 小的優勢日漸明顯,未來定點 DSP 芯片仍將是市場的主角。


FPGA是什麼?


FPGA,即現場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定製電路而出現的,既解決了定製電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。FPGA芯片由輸入/輸出塊、可配置邏輯塊和可編程互聯三部分組成,同一片FPGA,不同的編程數據,可以產生不同的電路功能,因此FPGA的使用非常靈活。FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。它的應用領域包括航空航天/國防、消費電子、工業、電子通訊等。


芯科普:淺談相愛相殺的DSP和FPGA


全球FPGA現狀

目前FPGA的主要產業鏈供應商仍然集中在歐美地區,國際 FPGA 市場被四大巨頭壟斷,分別是賽靈思Xilinx(這家收購了中國的AI芯片公司深鑑科技)、阿爾特拉Altera(2015年,英特爾被Inte167億美金收購)、美高森美以及萊迪思。Altera和Xilinx是 FPGA 的發明者,其中Altera於 1983 年發明世界上第一款可 編程邏輯器件,Xilinx於 1985 年公司推出的全球第一款 FPGA 產品 XC2064。根據 2017 年公司財務數據統計,Xilinx營收 23.49 億美元,阿爾特拉(被英特爾收購) 為 19.02 億美元,美高森美 FPGA 業務為 4.21 億美元,萊迪思為 3.86 億美元。Xilinx和Altera兩家公司幾乎佔據了整個國際市場的 90%。


中國FPGA行業競爭格局分析

FPGA行業是一個高進入壁壘領域,市場前景誘人。由於FPGA軟件開發難度大,需要最先進的製造封測工藝、IP多且雜,因此中國目前的發展存在嚴重滯後。從信息、產業和國防安全等方面考慮,中國一定會加速FPGA的國產化,政府對國有半導體產業會有一定力度的扶持。此外在AI、LoT、5G快速發展的推動下,中國將有龐大的FPGA增量市場。因此,這是國內FPGA廠商快速切入的時機。復旦微電子的FPGA產品目前和軍方取得合作,在國防和航空航天領域已經取得應用,公司將在FPGA國產化這一進程中扮演重要角色。


國內FPGA廠商有上海復旦微,紫光同創、京微雅格、高雲半導體、上海安路、西安智多晶等,但是同國外領先廠商相比,國產FPGA廠商不論從產品性能、功耗、功能上都有較大差距。


DSP和FPGA兩者的區別

DSP 是專門的微處理器,適用於條件進程,特別是較複雜的多算法任務。

FPGA 包含有大量實現組合邏輯的資源,可以完成較大規 模的組合邏輯電路設計,同時還包含有相當數量的觸發器,藉助這些觸發器,FPGA 又能完成複雜的時序邏輯功能。


1.DSP 芯片的通用性相對弱,FPGA 則通用性更強;

2.DSP 具有軟件的靈活性,而 FPGA 具有硬件的高速性;

3.DSP 對較低速的事件串聯執行,但是處理前可能會有些時延,而 FPGA 不能處 理多事件,因為每個事件都有專用的硬件,但是採用這種專用硬件實現的每個事 件的方式可以使各個事件同時執行;

4.DSP 是按照指令的順序流來編程的,而 FPGA 是以框圖方式編程的,這樣很容 易看數據流。


本文主要是概念科普為主,小編在FPGA和DSP的方向的需求和合作公司也較多,小編自身技術理解侷限性會對於行業和技術的理解的還是不少欠缺,技術的朋友們有關於本領域新的技術更新及相關提醒歡迎留言指導哈,有不錯的觀點的小編會私信紅包,歡迎留言交流討論哈~

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