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全球首個商用DSP的25周歲生日紀念活動近日拉開帷幕。DSP大鱷德州儀器(TI)在北京、上海、深圳、臺北四城市舉辦的一年一度的亞洲區TI開發商大會(TIDC)上向人們展示了下一個25年中DSP技術的無限可能。這些令人興奮的應用包括精確化的樓宇照明控制、不用開口就能通話的手機、智能藥片、無需圖像顯示就能報警的安防系統以及無人駕駛汽車。正如該公司副總裁林坤在他的主題演講中所所述的——“DSP的應用才剛剛開始”。

25年:從拼寫教育產品到無所不能

要追溯DSP技術的起源,就不得不談到1978年誕生的著名玩具產品Speak&Spell。這個在當時來看富有創意的小玩意兒迅速成為美國歷史上著名的拼寫玩具。這項當初并不是公司正式產品計劃的設計工作采用的單芯片語音合成器正是TI的首款DSP,而它的出現背后就有現任TI首席科學家方進(Gene Frantz)的身影。

Speak&Spell掀起了TI對DSP技術的熱情。五年后,第一款商用DSP在該公司誕生。盡管這個型號為TMS320C10(當時為TMS32010)的芯片在今天看來顯然已經非常落伍了——55,000個晶體管、4KRAM,3微米AMOS工藝,指令處理能力5MIPS——但它開啟了一種可能。此后幾年,將溫度、圖像、電流、電壓等各種模擬信號轉換為數字信號的技術相繼出現,繼而形成了一股規模宏大的潮流,將包括手機、寬帶、硬盤驅動器、三維圖像、MP3、數碼相繼、筆記本在內的各種應用裹挾進來。1982年,全球DSP市場總值僅有1,000萬美元,而2005年,已經達到了80億美元。Forward Concepts和WSTS的聯合報告表明,2010年,全球DSP市場將一舉突破170億美元的市場規模。

創新應用是引導DSP市場向前發展的一面大旗。我們已經聽夠了的成本、功耗、性能、靈活性等各種因素一直是應用設計方面所面臨的主要挑戰。此外,林坤認為與機會成本息息相關的上市時間在這些因素中處于最重要的地位。“我們需要在性能、功耗以及成本三方面來應對這些挑戰。”他表示。在這里他特別強調:“對于成本來說,不僅僅是降低芯片本身的價格,如何盡可能壓縮系統方面的開支才是最重要的。”

25年的歷程已經證明了DSP在應對上述挑戰方面的能力是無限的。與3微米的AMOS工藝相比,如今TI已有超過50%的DSP采用了90nm CMOS工藝。此外,65nm的CMOS工藝也已使用在C6455中。而DSP的計算能力也從最初的5MIPS提高到如今的10,000MIPS。DSP的并行能力也在成倍增長,與C1x/2x/5x系列一個機器周期處理1個MAC相比,如今的C64x+系列已經能夠處理8個MAC操作。功耗問題也在從容不迫的被一步步解決,隨著內核電壓從10年前的降低到今天的1V左右,功率技術甚至孕育了與摩爾定律齊名的Gene定律——“半導體工業每18個月芯片功耗將會降低一半。”

為了在提高性能的同時盡可能減少對功耗的影響,除了將內核時鐘頻率繼續上調之外,多核概念也被引人DSP。“很多人會懷疑多核DSP技術的成熟度。其實,早在90年代就,市場上就已經出現了多核DSP產品。我們最新的例子時面向有線網絡高密度語音市場的TNETV3020,它采用了6個500MHz的C64x DSP核。”林坤表示。此外,最初的DSP每MMAC的功耗為500mW左右,方進預計2010年這個數字將會降低到。值得一提的還有SmartReflex技術,由于能夠在不需要高速運轉時自動降低核電壓,該技術甚至令TCI6488的功耗降低了一半左右。

全球累積DSP銷量已經達到了100億顆。大規模量產推動了DSP價格的降低,并使其日益成為具有競爭力的電子解決方案。1982年,5MIPS的TMS320C10售價為500美元,這相當于100美元/MIPS的價格,但是今天,這個價格僅有美元。有理由相信,在可預見的未來,隨著價格的不斷降低,DSP將會滲入人類生活的每個層面。

1. 隨著工藝的不斷下降,DSP性能正在不斷攀升      

一切才剛剛開始

“如果不用擔心性能與價格,DSP的未來會怎樣？”這是方進本次大會主題演講的開頭語。他表示,電信是和娛樂是推動DSP創新的兩次浪潮。前者的數字化電話系統、DSL、有線Modem,以及數字蜂窩電話第一次為DSP提供了前所未有的廣闊舞臺,后者對性能、功耗的更高要求、流媒體、以及數量龐大的消費人群則推動了DSP的進一步應用。DSP的第三波浪潮應該是什么,智能建筑,汽車,醫療,安防還是綠色能源？或許兼而有之。

節能減排已經成為全球保護環境的主題。如今,全美40%的溫室氣體排放都來自商務樓宇的照明、冷卻和加熱系統。全球智能視頻監控技術領導廠商ObjectVideo已經在同TI進行合作開發新一代的智能傳感器。據稱,將此款傳感器安裝在房間上方中央后,它能感應有人進入,更知道物體的確切位置,并可根據偵測房間中人的移動來迅速啟動和關閉照明。“傳統感應器利用熱能和超聲波,但錯誤數值常常導致不當的開關,錯誤的偵測不僅浪費能源也增加了成本。”該公司稱,“如果能在10%的大樓中安裝這種智能感應器系統,我們將能減少相當于200萬輛汽車每年CO2的排放量。”

對于無人駕駛汽車這樣的夢想來說,雷達系統是這個項目的關鍵技術。德國大眾汽車就在其去年推出的Audi Q7中首次應用了新一代雷達輔助巡航車距控制系統、帶雷達技術的變道側向輔助調節系統。“提起雷達,人們首先就會想到價格昂貴的浮點DSP技術,但這顯然超出了我們所能承受的范圍。”該公司Jean Marc表示,利用TI的DSC和C2000平臺技術,大眾汽車通過定點技術實現了浮點運算。“這是個重要的里程碑,它意味著我們距離無人駕駛已經為時不遠了。”

Ambient公司與伊利諾伊大學共同開發的一項無需開口即能實現手機通話的研究項目將為美國高達300萬重度溝通障礙人士帶來福音。該公司的Audeo器件可采集到人腦在說話前腦部向喉部發送的神經信號,在經過TI超低功耗單片機MSP430處理后,人腦中的指令將會轉為動力來控制輪椅的行進。該公司的兩位聯合創始人Thomas和Michael表示,控制輪椅只是應用的一種,人腦信號還可以轉換為語音或者其他指令,目前Ambient的技術已經可以實現70%的準確率。“我希望我們的器件未來能夠取代手機。”Michael說,“你可以想象一個完全無聲的手機溝通情景,根本無需自己開口或者聽對方講話。”

2. DSP用于人工視覺      

對于許多消費者來說,停留在他們腦海中的安防系統可能就是在某個房間內占滿了整個墻面的顯示器,安全人員需要24小時內緊盯這些令人眼花繚亂的顯示器,這不但令他們不堪重負,系統的有效性也無法完全保證。TI已經開始在全球實施一項無需顯示系統就能實現自動報警的。其原理是通過對象識別以及運動分析技術來發現異常情況。據稱,該系統有望在今后5～10年內實現廣泛使用。

3. 未來安防系統不再需要令人眼花繚亂的顯示器      

DSP同樣能夠在替代能源利用中一展身手。以太陽能發電為例,該類電源的特征是直流電,并且電流大小會隨著日光強度的變化而變化。要將其轉換為工頻電源,需要DSP進行一些運算工作。另外,如果家庭用戶希望將得到的太陽能儲存在蓄電池中或者將其出售給電力公司,DSP的強大運算能力同樣是必須的。方進表示,DSP是可編程的特征使得其在風力發電、潮汐發電中也同樣適用。

TIDC:開發商方案展示平臺

對于半導體產業來說,生態系統已經成為一個流行詞匯。不僅僅是內核供應商、FPGA供應商,DSP供應商也需要這樣一個系統來擴大技術的影響力并團結更多的下游廠商。也許我們對DSP技術本身或者TI 25年的太多關注反而忽略了本次TIDC的主題。從某種意義上來說,它更是一個開發商交流和展示技術的平臺。

Ittiam System公司此次帶來了其采用達芬奇平臺TMS320DM648而開發的視頻服務器軟件平臺VSRV648。該系統帶有一個128MB的SDRAM以及32MB大小的Flash存儲器,采用TI DSP BIOS 。可支持MPEG2 MP、MPEG4 ASP以及 BP等多種流行的視頻文件格式,提供運動自適應解隔行掃描功能可選,能夠在CIF分辨率下實現8通道編碼或者16通道MPEG-4編碼,并支持ITU 聲效。VSRV648還提供ASO(任意條帶排列)、FMO(靈活宏塊排列)等可選功能。此外,該方案的多通道視頻引擎API也將加速客戶的應用開發時間。據介紹,Ittiam System總部位于印度班加羅爾,已在中國臺灣、新加坡、日本、韓國等地設有聯絡機構,目前尚未完全進入中國大陸市場。

4. Ittiam視頻服務器軟件平臺VSRV648  

許多工程師在尋找DSP的最佳解決方案之時往往會陷入性能、價格、功耗取舍的謎團,為了滿足這方面的需求,Xilinx公司推出了XtremeDSP的最新成員,第一個經過了DSP優化的Spartan FPGA——Spartan-3A DSP,這也是該公司此次大會強力推介的產品。據稱,其核心DSP48 Slice的修訂版本DSP48A能夠提供Virtex DSP器件中的DSP功能,使得設計師能夠針對復雜的挑戰實施解決方案。其支持的獨立功能包括乘法器、MAC、3輸入加法器、桶式移位器、寬總線多路復用器、量級比較器等,并同時支持將多個DSP48 Slice連在一起形成寬數學函數、DSP過濾器和復雜算數函數而無需使用總體FPGA架構。此外,DSP48A Slice還具有獨立控制的C-Port和一個預加器,前者在實施DSP算法是提供了更高的靈活性,后者則提高了普通DSP過濾器和FFT的密度。

指紋識別與虹膜識別已經過時？那么人臉識別呢？上海銀晨智能識別科技有限公司帶來的就是采用了TMS320DM64x而開發的四款嵌入式人臉識別模塊:ISVIDEO SD64/R64/SR64/63。其中,R64/SR64由四個單元組成,分別是處理能力可達5400MIPS的DSP核心處理單元DM642、接有32M SDRAM和16M Flash的外部存儲單元、擁有WIEGANDS26輸出和RS485以及視頻輸出的接口單元,而接口擴展單元則是一個金手指接口。該公司稱,由于采用了先進的紅外人臉識別算法,該模塊可有效的減小甚至避免可見光的影響,從而降低誤識率和拒識率。此外,SR64還具有編碼以及G721音頻編碼算法能力。據稱,采用該公司的模塊后,OEM需要完成的工作只是按照產品外形設計接口板電路即可。

為人熟知的TI DSP第三方合作伙伴北京合眾達展臺上推介的是該公司最新的達芬奇數字媒體開發平臺——基于Linux/WinCE的SEED-Davinci_EVM。利用TMS320DM6446的雙核ARM9+DM64X,該平臺擁有、、MPEG2、MPEG4、WMV9、JPEG視頻編解碼、MP3、音頻編解碼處理能力,并提供各種API接口函數。最大可支持8M SRAM、16M Flash、40G ATA硬盤、2G DDR 2存儲器。并擁有1路RCA視頻輸入、S-Video輸入端子；1路RCA視頻輸出、S-Video輸出端子、RGB分量輸出接口。可提供CD音質輸入輸出(立體聲輸入輸出,麥克風輸入、耳機輸出)。此外,該平臺還擁有SD卡接口、10M/100M自適應網絡接口,并配有USB2.0(支持主/從)、McBSP、UART接口、WiFi(可選)、LCD顯示屏、800x600 VGA輸出、14針JTAG接口等配置。合眾達還為客戶提供了各種Codec演示和測試程序。

分銷商WPG也出現在了此次開發商大會中,該公司主推的就是此前提到的ObjectVideo公司。后者與TI合作開發的智能視頻監控系統ObjectVideo Onboard最初基于DM642,現在該系統不僅能夠基于所有的DM64x系列,還將達芬奇技術囊括了進來。據稱,該系統能夠依照用戶設定的規則主動對視頻信號進行監控、分析以及偵測可能的威脅,并可嵌入到包括攝像機、視頻解碼器、硬盤錄像機、網絡硬盤錄像機在內的視頻監控系統所有產品中。值得一提的是,如果沒有偵測到可能的威脅事件,該系統還能夠以較小的分辨率以及較低的幀速把視頻傳遞到后端儲存,而當偵測到異常情況時,除了及時向安全人員發出報警信號外,系統還能以較大的分辨率和幀速來存儲視頻信號。此外,ObjectVideo Onboard還可與其他系統集成,以便在發生異常情況時同其他設備進行聯動,實現更高性能的安全防護。

作者:王彥