剖析DSP技術發展趨勢

caesarbbde

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<P align=center><FONT size=2>王岫晨
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<TD class=text12gray vAlign=top>數位訊號處理器DSP（Digital Signal Processor）早期指的是一種信號處理技術，直到1982年TI開發出第一顆商用數位處理器之後，DSP才成為一種全新高速處理器的名稱。最初DSP的應用僅及於專業資料通信和語音處理，然而隨著數位技術在消費性電子市場的勢力逐漸擴張，正好給了DSP一個可大顯身手的新舞臺，並讓其站穩數位資訊產品核心引擎的地位。由於DSP技術的進步，新的應用產品勢將不停湧現，並滲透至我們生活中的每一角落。</TD></TR></TABLE></TD></TR>
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<TD class=black122 width=690 bgColor=#f5f5f5 colSpan=2><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/e-img-1.gif"><b><FONT color=#009300>以單一應用設計進軍消費市場</FONT></b>
DSP本質就是運算處理器，有點類似computer的架構，因此設計時需要考慮效率、運用的廣泛程度以及彈性。處理器若越有彈性，其運算效率就會愈高。以消費性電子產品而言，需要在其應用領域具有最高效率，簡單說就是要能針對不同的應用來設計，而不能只是設計一個多功能（general purpose）的處理器，否則使用範圍廣泛，但是某些應用卻會變成一種浪費、非常不經濟或使處理速度變慢。

擁有DSP音頻技術並深耕大中華區MP3音頻市場的演算科技（AT-Chip）總經理陳鴻麟指出，消費性電子產品強調經濟效益，所以必然不能以多功能處理器來囊括所有產品，必須要針對某一種功能做單一應用的設計，而且架構需是可變的，不是百分之百的多功能或特殊應用。因為針對單一應用的設計固然最有效率且成本最低，但往後只要產品稍有變動，就需重新設計。因此功能取捨，在技術上必須先瞭解系統架構，做最佳的（optimize）判斷，才能擁有最佳的工作表現。現在很多消費性產品開始使用dual-code，一個是一般管理應用的微處理器，一個是專用於運算的處理器。其實運算處理器之架構是可做變化的，因此設計時必須多下功夫。</TD></TR>
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<DIV align=center><a href="http://www.eedesign.com.tw/article/document/dc1086.htm#" target="_blank" ><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/top.gif" border=0></A></DIV></TD></TR>
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<TD class=black122 width=690 bgColor=#f5f5f5 colSpan=2><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/e-img-1.gif"><b><FONT color=#009300>取捨能力是決勝的關鍵競爭力</FONT></b>
要讓產品既便宜功能又好，在功能的取捨上就需要下點功夫。演算科技副總經理暨總工程師章賢亮表示，通常在產品的設計上，功能指標方面相互會有衝突，比如功能彈性大，可應用範圍廣，或者用途很專一，其設計不同，產品品質也各異，因此設計者在做技術架構規劃時，必須在彈性度與專業度間取捨並做最佳的判斷。產品要有最適當的設計才符合經濟效益。在實際應用上，要能做出正確的決定，本身知識面必須廣泛，對各領域都瞭解到某一深度才能作全盤的規劃。演算科技的優點就是技術的涉獵範圍廣，對應用系統方面瞭解深入，所以只要系統應用出現問題，便可多角度分析，並發揮IC設計的特長去克服難題。整合、取捨與規劃能力才是決勝關鍵。演算的優勢是產品兼容性高，成本很低，因此才能提高性價比。
　
<P align=center><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/document/images/dc1086.1.gif" border=0></P>
<P align=center>圖一　演算科技總經理陳鴻麟（右）與副總經理暨總工程師章賢亮
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<DIV align=center><a href="http://www.eedesign.com.tw/article/document/dc1086.htm#" target="_blank" ><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/top.gif" border=0></A></DIV></TD></TR>
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<TD class=black122 width=690 bgColor=#f5f5f5 colSpan=2><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/e-img-1.gif"><b><FONT color=#009300>高整合性才能提升產品價值
</FONT></b>SoC的概念是把所有零組件整合至同一晶片上，但不同元件彼此製程不同，要全部整合不太可能，因為必須考慮製程、功率與設計技術的兼容性（capability）。章賢亮表示，從整合的角度來看，把整個系統做到一顆晶片上雖好，但很多應用其實只要把90％的功能整合就可達最經濟的狀況。換句話說雖然大方向如此，實際上整合度並不是越高越好。所以重要的是如何去做最適當的取捨。消費性電子產品的電路並不複雜，大部分都可整合至同一晶片上。因此系統通常為key component加上重要周邊，這些都必須在設計前就先瞭解系統與其應用，執行時也必須把正確的技術使用到晶片設計上，包括設計、製造、封裝與測試等細節。這種經驗無法一蹴可基，必須長時間的累積。且整合度越高其成本無法有效壓低，這在消費性電子產品將構成致命傷。

陳鴻麟指出，與美國相比，台灣的競爭力來自低成本。美國IC設計的技術雖好，但並不朝低價位的方向努力。台灣必須在消費性產品市場發展成本低，穩定可靠的產品。但降低產品成本同時又得兼顧品質，與將產品的性能發揮到極致，在研發上的困難處並不相同，重點是得具備足夠的工程經驗。演算科技把兼容高的功能整合在一起，除了IC設計，還包括系統設計，這必須擁有豐富的系統應用能力。2000年4月成立的演算科技研發團隊累積超過百年的研發經驗，其系統設計能力可提供客戶全方位DSP音頻解決方案，並對消費性電子關鍵零組件IC做出最佳化的設計，如此才能產品才能適合市場使用並達到最經濟效益。</TD></TR>
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<DIV align=center><a href="http://www.eedesign.com.tw/article/document/dc1086.htm#" target="_blank" ><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/top.gif" border=0></A></DIV></TD></TR>
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<TD class=black122 width=690 bgColor=#f5f5f5 colSpan=2><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/e-img-1.gif"><b><FONT color=#009300>RISC架構的平行處理能力</FONT></b>
DSP在運算上要求的是平行處理。平行處理指的是指令集的再提高，也就是提高運算效能，透過DSP高速運算的平行處理能力之後，更多指令可在更短的時間之內完成。瑞薩科技（Renesas Technology）技術行銷部主任施俊榮指出，過去的的CISC（Complex Instruction Set Computing；複雜指令集計算）架構是好幾道指令順序地完成，而平行處理則是採用RISC（Reduced Instruction Set Computing；精簡指令集運算）架構，可一次把所讀取到的指令同時執行，因此又稱平行處理。而這種平行處理的架構正是能夠提昇DSP效能的主要原因。

DSP除了在矩陣的運算上很方便之外，另外如浮點運算（floating point）、處理大量資料或是要做快速的運算都需透過DSP。瑞薩在DSP中有X、Y Memory架構，不論是針對矩陣的計算、大量資料的處理與特別高速運算的時候，都會用到memory來輔助運算，主要目的是加速資料的運算，這也是瑞薩DSP產品的優異處。

<FONT size=2><FONT color=#ff3300>■針對OS開發合適的DSP平台
</FONT></FONT>施俊榮說，效能的提高對於降低消費性電子產品的能量損耗特別重要，所以DSP在設計上的一個難題就是，除了要讓效能提高之外，另一方面也要降低耗能，尤其是可攜式產品。其實DSP架構的另一關鍵是其平台（Playform）。作業平台的OS系統不論是Linux或Win CE的架構，我們針對該架構去開發DSP平台給客戶使用，客戶僅需對其應用撰寫或修改核心，不用花費太多時間。在台灣，越來越多客戶希望廠商能提供「全段加工」（turn key total solution），因為選定了平台之後，還需要各層面的考量，才會決定是否把人力等資源投入開發產品。

以DSP平行處理的架構來說，要能夠處理高速運算以及大量資料的傳輸，尤其是對矩陣的運算以及浮點運算，DSP是特別有效的一個演算架構。因此現在很多產品除了本身的CUP，都需要另有DSP這樣架構，瑞薩的SH-DSP系列就屬於這種產品，可應用領域包括光碟機、PRINTER等。

一般DSP產品都包含了前述特點，而除了軟、硬體兩者需必備之外，平台裡核心軟體的完整性也是客戶考量的一個重點。以前客戶花在DSP上的learning curve比較長，但現在產品的生命週期越來越快，瑞薩的Design Center正可幫助客戶縮短開發時程，以及各種技術上的支援。
　
<P align=center><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/document/images/dc1086.2.gif" border=0></P>
<P align=center>圖二　瑞薩科技技術行銷部主任施俊榮</P>
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<FONT size=2><FONT color=#ff3300>■IP與3th party
</FONT></FONT>此外，為了縮短產品開發時程，很多IP產品也因應而生。雖然自行開發較節省成本，但產品的開發週期有限，因此台灣的供應商多數已開始採用國外廠商的IP license讓自身產品跟得上市場主流。
值得一提的是，IC（Indian &amp; China）以後將是IC設計的趨勢。印度的軟體開發技術頗為先進，中國大陸則是以系統整合及製造為其強項，面對此兩對手，台灣必須加強系統整合度的快速性，及策略夥伴（3th party）與自身產品的支援性，以加快產品上市時程。</P></TD></TR>
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<DIV align=center><a href="http://www.eedesign.com.tw/article/document/dc1086.htm#" target="_blank" ><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/top.gif" border=0></A></DIV></TD></TR>
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<TD class=black122 width=690 bgColor=#f5f5f5 colSpan=2><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/e-img-1.gif"><b><FONT color=#009300>以CUP code執行DSP運算</FONT></b>
MIPS在CUP code裡面有一個乘法加法器，用途是作DSP的加速。MIPS Technologies大中華地區總經理盧功勳指出，很多MIPS的code都已經內含DSP功能，而MIPS的DSP Library與軟體開發工具的支援，也可幫SoC業者簡化設計流程並降低成本。此外，在更高端應用方面也有Audio的產品，因為MIPS較專注於DTV的STB市場，因此其Audio都是朝向非常高端的應用設計。這些Audio以前需要用一個專門的DSP來執行運算，但MIPS這些Audio的專案都經優化（optimize），所以只要CUP本身便可進行運算，不需要外加DSP。
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<IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/document/images/dc1086.3.gif" border=0></P>
<P align=center>圖三　MIPS Technologies大中華地區總經理盧功勳（右）與大中華區技術總監王聰賢</P>
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<FONT size=2><FONT color=#ff3300>■DSP ASE提升CUP運算功能
</FONT></FONT>MIPS所發表的DSP ASE（Application-Specific Extension）特定應用延伸架構，除了基本的乘加器外，又加上特別的運算加速指令，除可讓CUP本身的DSP運算功能往上提升外，在Audio和多媒體方面的處理效能也會更快。

MIPS Technologies大中華地區技術總監王聰賢表示，ASE架構加了42個DSP指令，其硬體體積只增加6％，但是效能卻能增加3倍。這是因為MIPS分析以往DSP後，發現有些動作如subroutine佔了整個應用的25％。將subroutine以指令取代後，便可達到3倍的加速量。這個作法讓CUP擁有很強的DSP功能，既可處理OS、一般應用又可執行DSP運算，這是一個重要趨勢。

在DSP的發展趨勢上，由於產品需要低成本、低耗電與高效能，因此發展出general purpose的DSP，如TI的64X、54X等產品。另外也有針對諸如MPEG或Audio的編/解碼（Endoce/Decode）做出DSP硬體，並可適應不同地區的標準或規格，像美國的ADSC或歐洲的DVB等不同規格都可以掌握，但其缺點是體積大。在台灣，很多廠商自行研發16bit DSP，但這種中低階應用在未來卻很容易被RISK給取代。因此為了取得平衡點，以CUP加上DSP ASE架構會是不錯的解決方法。在CUP速度與效能越來越強大之際，這些針對DSP常用功能而加入的指令並不會拖累CPU原有的處理效率，在未來這種以RISC軟體處理DSP運算的方式勢必將成為趨勢。

盧功勳指出，台灣的製造能力很強，很適合大量生產的消費性產品。而外國廠商如TI就較適合高階應用如telephone station等，但只適合小量應用。因此在消費性電子產品方面，國外廠商由於成本無法壓低，並不會往消費性電子的產品路線發展。這是因為國外廠商的營運成本高，所以往高階、先進的產品發展才能擁有足夠的利潤，否則無法生存。台灣營運的效率相較於外國更高一些，也較為靈活，如產品的上市時程快。因此Broadcom就在台灣成立設計中心，除可壓低成本，價格方面更可與台灣廠商競爭。</P>
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<IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/document/images/dc1086.4.gif" border=0></P>
<P align=center>圖四　MIPS DSP ASE架構圖
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<DIV align=center><a href="http://www.eedesign.com.tw/article/document/dc1086.htm#" target="_blank" ><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/top.gif" border=0></A></DIV></TD></TR>
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<TD class=black122 width=690 bgColor=#f5f5f5 colSpan=2><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/e-img-1.gif"><b><FONT color=#009300>以可編程的DSP解決方案供應電器製造商</FONT></b>
TI提供以DSP為基礎和可編程的解決方案，讓一般的數位消費電器製造商能夠應用。其中較為重要的特色包括：
●高彈性。廠商可以簡單地利用軟體來改變或調整編碼，進而改變產品的效能。如將JPEG動畫移植成MPEG2或MPEG4；
●減少廠商在製程上的資源浪費。編程解決方案讓軟體能夠提升系統的性能。這也是為了避免硬體在更新系統時，常出狀況；
●能夠以最短的時間交貨。

TI台灣區消費性電子市場及行銷經理張文賓表示，TI通常不會直接提供消費性電器到市場上銷售，但是會提供有用的內部零件給製造廠商。光是2003年，TI在消費性電子市場上就擁有34%的成長率，其包含的領域有數位相機、DVD、數位電視以及行動式播放器。

TI較為注重的市場有數位相機、DVD、數位電視、行動播放器、數位收音機以及機上盒等，當然其部份心力也放在新的產品研發上面。TI在DSP的類比式產品上投入了大量的專家與人才去研發新的技術，其DSP的解決方案包含高效能、低電源、可編程和低價等多項優點。</TD></TR>
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<DIV align=center><a href="http://www.eedesign.com.tw/article/document/dc1086.htm#" target="_blank" ><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/top.gif" border=0></A></DIV></TD></TR>
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<TD class=black122 width=690 bgColor=#f5f5f5 colSpan=2><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/e-img-1.gif"><b><FONT color=#009300>DSP與MCU的靈活組合－dsPIC</FONT></b>
Microchip自1999年跨入DSP領域發展，在解決了IP等相關問題後，目前已開發出自己的DSP產品，稱為dsPIC，主要是由一套DSP引擎加上一個16位元MCU所構成。Microchip總經理陳永豐表示，dsPIC具備一套完整的DSP引擎，32 MIPS非管線式（non-pipelined）的運算效能、搭配C語言編譯器的設計環境以及業界熟悉的微處理控制器架構與設計環境。dsPIC的DSP引擎內建高性能的核心演算與傳輸流量機制，具一套高速16×16位元乘法器、兩組40位元（選用）飽和累積器以及一組16位元雙向整批移位器（barrel shifter），最多支援40位元值。獨立型位址產生單元（AGU）能同時擷取兩個運算元，並支援大多數DSP指令。

dsPIC核心是一套16位元非管線化改良型Harvard架構，結合16位元MCU資料處理與週邊控制的能力，而配合具高速計算能力的DSP引擎，可支援各種嵌入式系統設計，應用領域包含馬達控制與功率轉換、感測器以及通用型應用元件。例如Microchip最小18Pins的dsPIC可針對不同動作所引起的聲音進行頻譜分析，適合做智慧型的感應器，避免誤動作所產生的錯誤警報。

dsPIC可為許多高階16位元微處理控制器與中階的DSP應用系統提供理想的解決方案。其中包括馬達控制（無感測直流無刷馬達、交換式備援馬達、可變磁阻馬達）、網路連線裝置、汽車產品（安全氣囊、車用電腦、線控油門、噪音抑制系統、主動式減震控制系統）、多功能電話（來電顯示、回聲/雜音消除、雙音多頻DTMF）、數位答錄機（語音壓縮）、低速軟體數據機、線路介面卡（回音消除）、POS終端機（加密、撥號用軟體數據機）、自動販賣機（軟體數據機、錢幣辨識系統）、生物安全系統（例如像指紋辨識）、不斷電系統、電源供應管理、以及自然人機介面（語音辨識/合成系統）

<FONT size=2><FONT color=#ff3300>■功能互補 相得益彰
</FONT></FONT>Microchip的dsPIC目前主要是應用於中階消費市場，其DSP運算速度為每秒32MG MIPS。Microchip技術總監楊雲樟指出，這個單體總共含有19個DSP的運算指令，只要遇到這些指令，便會導向DSP引擎進行運算，其他的工作則由16位元MCU負責執行。傳統DSP設計上的缺點，就是無法專注於運算，例如320系列。而新的1025系列，雖專用於運算部分，但對傳統資料的編譯便顯得礙手礙腳。因此Microchip將兩者的缺點去除，優點整合，由MCU對周邊資料進行處裡，運算部分就交給DSP的運算引擎來執行，對於效能的提升有很大幫助。

除了從市場大方向回頭來研發適合的產品，Microchip也集中心力在某一領域發展，對於市場的預估也不至有太大差異。在未來的消費性電子市場，不論是百色家電（冰箱或冷氣等）或黑色家電（TV等影音產品），都需要越來越強大的功能，Microchip在DSP市場的產品涵蓋領域會越來越廣，這將是未來積極發展的方向。
　
<P align=center><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/document/images/dc1086.5.gif" border=0></P>
<P align=center>圖五　Microchip總經理陳永豐（左）與技術總監楊雲樟
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<TD class=text12 width=690 colSpan=2 height=40>
<DIV align=center><a href="http://www.eedesign.com.tw/article/document/dc1086.htm#" target="_blank" ><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/top.gif" border=0></A></DIV></TD></TR>
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<TD class=black122 width=690 bgColor=#f5f5f5 colSpan=2><IMG src="http://www.eedesign.com.tw/article/94event/0503_newstyle/e-img-1.gif"><b><FONT color=#009300>結語</FONT></b>
數位化腳步的加速，讓更多的數位消費性電子產品中可見到DSP的身影。DSP產品應用越是多元，其技術競爭也將越見激烈，可以確定的是，未來的市場上將會出現更多功能強大且價格低廉的數位電子產品。在方興未艾的消費性電子市場，DSP將繼續帶領為數眾多的消費大眾，進入更為細緻的數位世界。 （本文原載於零組件雜誌）</TD></TR></TABLE>

fksz23

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