独立DSP芯片兴衰史：FPGA吹响了丧钟

MrL1 · 发表于 2021-11-3 09:59

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DSP可以追溯到数字时代的开端，甚至可能更早一些。如果说1946年第一台数字计算机ENIAC的建造标志着1946年数字时代的开始，那么DSP则在两年后出现。
IEEE于1998年出版了一本名为《Fifty Years of Signal Processing: The IEEE Signal Processing Society and its Technologies 1948-1998》的专著，将DSP开始的时代1948年称为DSP annus mirabilis。同年，贝尔电话实验室的Claude Shannon发表了题为“A Mathematical Theory of Communication”的具有里程碑意义的论文，该论文将可实现的比特率、信道带宽和信噪比之间的关系刻在石头上。
同一年，贝尔实验室的Shannon、Bernard M. Oliver 和 John R. Pierce发表了“The Philosophy of PCM”，记录了脉冲编码调制的实用性，并在PCM上打上了实用性的烙印，这个理论的首次设想是由Alec Reeves于1937年撰写。（伯纳德·奥利弗（Bernard Oliver）在更广的圈子中可能更为人所知的是巴尼·奥利弗（Barney Oliver），他是1966年创立惠普实验室的杰出人物，但那完全是另一回事。） Shannon、Bernard M. Oliver 和 John R. Pierce 正在记录一些PCM用于构建绝密SIGSALY安全语音系统的概念，这是一个房间大小、重50吨的庞然大物，为二战期间盟军最重要的语音通信进行编码和加密。
巧合的是，贝尔实验室于1948年6月30日宣布开发晶体管，同年发表了两篇引发DSP革命的里程碑式论文。（晶体管的实际发展发生在前一年。）我们需要晶体管和固态电子设备将Shannon, Oliver和Pierce发表的论文中的概念转化为价格低廉的实用技术，以改变电子产品的世界，所以1948年确实是DSP的奇迹年。
1948年之后，很长一段时间内DSP技术都没有发生太多变化。数字电子技术对于DSP来说太新了，无法实用，至少不能用于实时信号处理。在此期间，许多DSP涉及将数字手动输入Friedan和Marchant机械计算器，这对于音频或视频通信来说非常不切实际。DSP的萌芽世界等待着关键的发展。实际上，有几个关键的发展。
这是DSP和单芯片DSP如何接管整个信号处理世界的故事。它与数字电子本身的历史相似，跨越了集成电路 (IC)、微处理器、DSP和FPGA的发展。在我们看来，FPGA最终大获全胜。
一些不稳定的步骤
使DSP实用化所需的第一个关键发展是 IC 的发明。几乎同时，德州仪器 (TI) 的 Jack Kilby 和仙童半导体的Robert Noyce设想了两种截然不同的方法来构建第一个集成电路。1959年2月，TI的Kilby首先申请了专利。Kilby曾设想在一根硅棒上构建多个电子元件，然后使用小的金键合线将它们连接在一起。在申请专利之前，他实际上确实在1958年建造了这样的电路。然而Kilby错综复杂的手工组装过程是完全不切实际的，而且不太可能扩大到商业批量生产。
Noyce于1959年初提出的想法是使用光刻技术，仙童半导体已经使用这种技术制造硅晶体管，在一个芯片上对多个电子元件进行成像，然后使用相同的光刻技术将这些元件与金属互连层互连。他将细节留给Jean Hoerni，后者开发了自那时以来一直用于制造 IC 的平面工艺。Noyce和Fairchild比Kilby晚，但仍是在1959年就这些想法申请了专利。
用于制造IC的实用制造方法只是所需的许多关键发展中的第一个。早期的数字IC太原始，并且包含的晶体管太少，无法认真考虑将它们用于实际的DSP。那是因为DSP涉及一个非常深奥的概念——称为数学。特别是，您需要两个关键的数学运算符——乘法和加法——并且您需要使用大量这些运算来执行DSP。我们中的一些人成为了数字工程师，所以我们可以忘记数学。
DSP工程并非如此。使用DSP时，无法逃避数学运算。
当电子世界正在等待足够的半导体技术进步使DSP成为一种实用技术时，世界其他地方已经迫不及待了。Bell System需要开发方法来通过其庞大的线路安装基础来填充更多语音容量，而PCM显然是第一步。此外，二战后军队对雷达和声纳的使用蓬勃发展，DSP显然是改进和提高这些系统能力的途径。通信卫星最初是在1945年由Arthur C. Clarke撰写的一篇论文中设想的，它将需要数字通信来解决一些可怕的信噪比问题，这些问题涉及向地球轨道发送信号和从地球轨道接收信号。
世界已准备就绪，但IC尚未准备就绪。
当DSP世界等待半导体技术迎头赶上时，信号处理理论家却没有。贝尔实验室的Binshu Atal和Manfred Schroeder于1967年开发了自适应预测编码 (Adaptive Predictive Coding：APC)，这使得从4.8kbps比特流中获得适度的音频成为可能。
然后，Atal开发了用于语音压缩的线性预测编码 (Linear Predictive Coding：LPC)。几乎同时，名古屋大学的Fumitada Imakura和NTT的Shuzo Saito开发了偏相关（partial correlation：PARCOR）编码，这是一种非常相似的算法。这些新的语音处理算法自然需要更多的计算——更多的乘法和加法——这使得需要专门的IC来使DSP实用且具有成本效益变得越来越明显。
但是，通过带宽受限的电话信道运行的语音并不是唯一需要DSP信号的地方。雷达和声纳信号处理算法也需要它。真正占用带宽的电视信号需要它。只要技术实用，生成和接收的每个信号都可以从DSP中受益。如果它不需要装满 TI 和许多其他供应商在1960年代销售的中型IC的机架和电路板机架就好了。
英特尔于1971年推出的第一个商用微处理器4004是对即将到来的事物的第一个暗示。Intel 4004微处理器当然可以进行乘法和加法运算，但是一次只能加四位，而且乘法是一个多步指令序列。硅是愿意的，但ALU和位宽很弱。
第一个DSP芯片并没有完全削减它
TRW于1976年设法创建并销售了16×16位单芯片数字乘法器——MPY016H——这是一款采用1微米双极工艺技术制造的产品。TRW MPY016H可以将两个16位数字相乘以在45纳秒内产生32位结果（dash-1 部分为40纳秒），但无法相加。您需要添加额外的IC以将累加器连接到乘法器。此外，您无法在一次操作中提取32位结果。您通过IC的16位输出端口将结果分成两部分。所以这个产品真的不是DSP。它只是DSP的一部分。此外，由于具有两个16位输入端口和一个16位输出端口，TRW MPY016H必须封装在64引脚宽DIP中。它以5V电压运行，但它几乎需要一个放大器才能启动。在5瓦时，它也需要一点冷却。

AMI于1978年推出了S2811信号处理外设，它是一个带有12位硬件乘法器、一个16位ALU和一个16位输出的DSP，但它并不是作为单芯片DSP设计的AMI将S2811设计为用于8位6800微处理器的存储器映射外围设备，AMI还制造该产品作为微处理器的创始人摩托罗拉半导体的替代来源。AMI的6800 微处理器版本被称为S6800。
6800微处理器通过一个小型和三个较大的片上多端口RAM配置和访问AMI S2811。尽管AMI S2811于1978年发布，但它基于一种难以制造的VMOS工艺技术，因此推迟了几年的到来。到那时，已经发布了几款单芯片DSP；随着Intel 8088、Zilog Z8000 和 Motorola 68000的推出，16位微处理器时代已经到来；6800微处理器外设市场开始迅速萎缩。那就使得过时的AMI S2811从未取得商业成功。
在AMI推出S2811信号处理外设的同一年，TI向消费者推出了一款基于DSP 的玩具，即电池供电的“Speak & Spell”，该玩具采用LPC作为其核心语音编码技术。Speak & Spell玩具采用了TI TMC0280语音合成器芯片，该芯片在硬件中实现了Binshu Atal的LPC算法。TO TMC0280本质上是一个专用的DSP。
尽管当时的半导体技术将TI Speak & Spell的词汇量限制在165个单词，但这款玩具的稀疏词汇量对于儿童玩具来说是一个巨大的技术飞跃，即使零售价高达（当时）50美元。尽管TI TMC0280是一种专门的专用语音DSP，但其低成本和电池运行时间的能力为即将到来的DSP IC指明了道路。
1979年2月，英特尔试图通过宣布英特尔2920“模拟信号处理器”来表达“是的，我们可以做到”。这个奇怪的集成DSP在前端有一个9 位ADC（8 位加符号）和一个四输入模拟多路复用器，一个9位DAC有一个8通道模拟采样保持电路和模拟多路复用器在前端后端，中间的数字ALU能够执行加法、减法和绝对值运算以产生25位结果。缺少乘法和除法指令迫使使用多指令序列来执行这些所需的DSP数学运算。每个乘法运算需要12条指令，除法运算需要14条指令。每条Intel 2920指令需要大约半微秒来执行，
Intel 2920是为信号过滤应用而设计的，但它的执行速度慢、数据路径有限、指令集独特、缺少硬件乘法器、模拟输入和输出电压范围有限以及其他严重的限制，这些都注定了该IC的商业失败。
因此，尽管很少有人记得英特尔2920，但它也预示着DSP的到来。
随着1970年代结束，世界显然已经准备好，甚至渴望真正的单芯片DSP。多亏了理论家，算法才得以开发并准备就绪。许多信号处理应用都在乞求功能强大的DSP芯片。剩下的就是开发能够支持这些要求的芯片设计和工艺技术。AMI、AT&T、英特尔、松下、摩托罗拉、NEC、TI、ADI公司和其他公司都在为这个问题而疯狂地工作。DSP芯片的爆炸式增长迫在眉睫。
在1948年DSP的奇迹年之后，又过了三个十年，实际的、实用的DSP芯片才会出现。像TRW的MPY016H硬件乘法器和TI 的 TMC0280 LPC语音芯片这样的DSP零碎部件被戏弄了——真正的集成DSP指日可待——但直到1980年代，半导体技术才发展到足以使可编程DSP芯片实用化。1980年代和1990年代，单芯片DSP的数量呈爆炸式增长。
然后，20年后，单芯片DSP的时代戛然而止。
Wally Rhines在1970年代为德州仪器 (TI) 工作，他非常想离开TI在德克萨斯州Lubbock的工厂。当他有机会管理TI在休斯顿的微处理器业务时，他选择了这个职位，因为他发现休斯顿是一个更具吸引力的居住地。此外，没有人想要这份工作。TI的16位9900微处理器由于其缺乏竞争力的16位地址空间而陷入困境。由于未能在通用微处理器市场上分得一杯羹，莱茵斯在休斯顿TI新采用的微处理器团队创建了一个四管齐下的专用处理器战略。TI分叉战略的四个方面是：
TMS320 DSP系列

TMS340系列图形处理器

TMS360大容量存储处理器（很快无处可去）

用于IBM网络架构的 token-ring LAN处理器TMS380

其中，TMS320 DSP系列成为战略中的摇滚明星。正如Rhines在接受采访时所说，“……它给我们上了一课：绝望是创新之母。” 经过几年的酝酿，TI于1982年4月推出了第一批TMS320 DSP。然而，对于这样的新技术来说，仅仅构建芯片是不够的。多年来，TI一直在宣传DSP，并通过软件开发工具和培训为其新DSP提供支持，然后才看到这些部件取得重大成功。根据Rhines的说法，TI又过了五六年才开始从这些产品中看到一些真正的收入。
TI不是第一个
然而，TI的DSP芯片肯定不是市场上的第一个。英特尔早在1979年就推出了命运多舛的2920模拟信号处理器，但该公司的另一款产品16位8086微处理器在其拥有8位外部数据总线的“弟弟”—— 8088微处理器——成为IBM PC的核心。Intel 2920从视线中消失了，很可能是因为Intel的全部注意力都被吸引到了通用微处理器市场。
TI只是1980年代初期准备进入DSP领域的几家半导体公司之一。根据Forward concepts总裁和数十年来一直聚焦在DSP的分析师Will Strauss的说法，第一批发布的带有硬件乘法器/累加器的“真正”单芯片DSP是AT&T DSP-——由贝尔实验室开发，并1979年5月的AT&T内部会议上亮相。1980年2月在IEEE固态电路会议上，NEC又带来了NEC μPD7720。AT&T 将DSP-1纳入其开创性的电话网络5ESS电子交换系统。随后，AT&T 继续开发了几代设备，其中包括DSP16和DSP32（第一个浮点 DSP 芯片）。然而，AT&T DSP-1及其后继者仍然被贝尔系统所拥有，
NEC μPD7720有一个16×16位乘法器和两个16位累加器，因此它是一个真正的单芯片DSP。尽管NEC在1980年初宣布了该设备，但它直到1981年才与所需的开发工具一起上市。Strauss指出，NEC μPD7720在日本取得了最大的成功，就像日本的许多可编程IC 一样，这颗芯片在欧洲也很流行。
从1986年推出的DSP56000处理器开始，摩托罗拉半导体成为1980年代争夺DSP芯片主导地位的另一个早期竞争者。摩托罗拉DSP56000有一个24位硬件乘法器和两个可以再扩展8位的48位累加器使用一对扩展寄存器。这种大数据字能力使摩托罗拉DSP56000能够处理高精度音频，因此摩托罗拉DSP56000迅速受到高端音频系统开发商的欢迎。
在1990年代决斗
DSP领域的主要参与者在1980年代和1990年代争夺主导地位。他们生产了多代越来越强大的设备，这些设备具有多个硬件乘法器、浮点硬件乘法器和更大容量的片上存储器。到1990年代后期，TI、摩托罗拉和飞利浦已经开发出具有VLIW架构、多个乘法器/累加器以及用于特殊操作（例如位混频）的附加功能单元的DSP怪兽处理器。
当竞争性芯片技术突然出现并让DSP供应商蒙蔽时，更大、更强大的独立DSP芯片的开发突然停止。正如希克苏鲁伯小行星在6600万年前消灭了恐龙，并在岩层中留下一层薄薄的铱作为名片一样，FPGA在千禧年之交让单芯片DSP党崩溃了。
DSP的一个基本原理和一些历史相结合，解释了FPGA如何以及为什么迅速消灭单芯片DSP作为一个充满活力的处理器类别。
首先，原理：DSP全是数学，DSP性能依赖于非常快速地执行大量乘法/累加运算 (MAC) 的能力。这就是为什么最新的单芯片DSP具有多个硬件乘法器/累加器单元和附加功能单元以从乘法器/累加器路由非MAC操作的原因。设备拥有的MAC单元越多，执行DSP操作的速度就越快，因为大多数DSP算法都包含多个MAC单元可以利用的许多固有并行性。
现在，回顾历史：FPGA于1984年首次亮相，当时Xilinx推出XC2064。第一个FPGA只不过是一堆非常慢的门（实际上是基于查找表的可编程逻辑块），周围有很多可编程互连。这种早期的架构设计使FPGA能够在电路板设计上吞噬许多TTL芯片的逻辑。但是最早的FPGA速度很慢。他们没有威胁到当时的处理器，当然也没有影响到DSP领域。反正一开始不是。
FPGA扩张时代
由于从一开始FPGA就打算骑着摩尔定律，因此FPGA发展到2000年，就从原来的Xilinx XC2064微不足道的64逻辑块增长到数以万计的逻辑块。在一篇题为“Three Ages of FPGAs: A Retrospective on the First Thirty Years of FPGA Technology”的文章中，前Xilinx研究员Steve Trimberger将1990年代的FPGA增长时期称为“扩展时代”。在这个时代，FPGA沿着摩尔定律曲线发展，并通过集成越来越多的可编程逻辑块而变得越来越大。然而，与ASIC相比，在FPGA内用可编程逻辑构建的电路相对较慢，在硅片使用方面效率低下，而且价格更高。因此，使用可编程逻辑构建的MAC相对较慢且成本较高。
后来，在Trimberger的“积累时代”——当FPGA添加硬化MAC块时——FPGA突然成为DSP的重要竞争对手。FPGA并不仅仅增加了一两个硬件乘法器；在摩尔定律的慷慨支持下，他们增加了几十个。
第一个集成快速硬件乘法器的FPGA器件系列是Xilinx Virtex-II FPGA系列。2001年7月，Xilinx宣布它已经出货了价值100万美元的Virtex-II XC2V6000 FPGA，每个FPGA都有144个硬化的片上18×18位乘法器。因此，第一个包含硬件乘法器的FPGA的性能已经超过了当时存在的每一个单芯片DSP，而且很可能超过了所有将要存在的单芯片DSP。
Altera紧随Xilinx并于2002年发布了其第一代具有36×36位硬件乘法器的Stratix FPGA。Stratix FPGA中的硬件乘法器可拆分为18×18位或9×9位乘法器，以允许更多的 MAC 运算，尽管位分辨率较低。在本世纪的头几年，Xilinx和Altera FPGA系列在可以执行的同步MAC操作数量上远远超过单芯片DSP。
今天的FPGA有很多MACS
今天，英特尔（2015 年收购了 Altera）和赛灵思的一些最小的FPGA提供了大量的硬件乘法器。较旧但仍然可用的Intel Cyclone IV FPGA系列的成员包含80到532个18×18位嵌入式乘法器。同样，较旧的Xilinx Spartan 6 FPGA系列包括具有8到180个DSP48A1 slice的器件，而较新的Xilinx Artix FPGA系列的成员包含多达740个DSP48E1 slice。每个DSP48A1 Slice包含一个18×18位乘法器和一个48 位累加器，而每个DSP48E1 Slice包含一个25×18位乘法器和一个48位累加器。DSP48切片乘法器中的位数似乎随着时间的推移而增加。

Intel 和 Xilinx 的最大FPGA具有数千个DSP模块，并且能够比最快的DSP芯片每秒提供三个数量级的MAC。例如，最大的Intel Stratix 10 TX FPGA系列的成员提供5760个精度可调DSP模块，每个模块包含两个18×19位硬件乘法器，可以配置为一个27×27位乘法器。在一个大芯片上多达11,520个硬件乘法器。最大的Xilinx Virtex UltraScale Plus FPGA包含12,288个DSP48E2 slice，每个slice包含一个27×18位乘法器和一个48位累加器。
请注意，英特尔和赛灵思并不是唯一将硬件乘法器塞入其FPGA的FPGA供应商。您可以从Achronix、Lattice 和 Microchip 获得FPGA，这些FPGA具有内置在设备中的各种DSP硬件（MAC）。例如，最近发布的Lattice CertusPRO-NX FPGA有两种尺寸可供选择，具有96或156个片上18×18位乘法器。
如果您仍想编写DSP代码并在单片DSP上运行它，你可以使用恩智浦提供DSP56300、DSP56700 和 MSC8000 DSP系列。这些是摩托罗拉DSP系列最新的——也可能是最后的——单芯片后代。此外，您仍然可以购买现成的TI TMS320 FPGA系列成员。同时，硬件乘法器在通用处理器的设计中变得非常普遍，在那里您可以找到完全能够提供可观的 DSP 性能的巨型512位SIMD矢量单元，甚至在微控制器中，这样您就可以更轻松地将DSP集成到即使是最小的嵌入式设计。
对于这一切，要感谢摩尔定律。
然而，在这一点上根本没有可比性。如果您的高性能DSP应用需要大量快速 MAC 运算，那么具有成百上千个快速硬件乘法器的FPGA是独一无二的合格产品。

Cyberbot7 · 发表于 2021-11-3 10:32

DSP可以追溯到数字时代的开端，甚至可能更早一些

land · 发表于 2021-11-3 10:47

由于从一开始FPGA就打算骑着摩尔定律，因此FPGA发展到2000年，就从原来的Xilinx XC2064微不足道的64逻辑块增长到数以万计的逻辑块

oewqe · 发表于 2021-11-3 11:09

当竞争性芯片技术突然出现并让DSP供应商蒙蔽时，更大、更强大的独立DSP芯片的开发突然停止

canatto · 发表于 2021-11-4 11:53

....只是觉得钟也能吹响，功夫了得。

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