“魂芯 II-A”發(fā)布，盤點中國DSP

2018 年 4 月 23 日，中國電科 38 所在福州舉行的首屆數(shù)字中國建設峰會上發(fā)布了實際運算性能業(yè)界同類產(chǎn)品最強的數(shù)字信號處理器“魂芯 II-A”。

 

“魂芯 II-A”芯片由電科 38 所完全自主設計，歷經(jīng) 6 年不斷完善和修改，通過“魂芯 I”實際使用過程的不斷迭代和磨合，完成了“魂芯”家族的第二代產(chǎn)品“魂芯 II-A”的設計，2017 年一次流片成功，初步形成了“魂芯”品牌技術體系和產(chǎn)品譜系，同時為我國建立自主體系高端 DSP 產(chǎn)品譜系奠定堅實基礎。

 

 

“魂芯 II-A”在一秒鐘內能完成千億次浮點操作運算，單核性能超過當前國際市場上同類芯片性能 4 倍，可與高速 ADC、DAC 直接互連，具備相關時序接口，可以實現(xiàn) P 波段射頻直采軟件無線電處理形態(tài)。

 

中國電科首席科學家、“魂芯 II-A”總設計師洪一表示，芯片采用全自主體系架構，通過單核變多核、擴展運算部件、升級指令系統(tǒng)、擴大存儲容量、加大數(shù)據(jù)并行、豐富調試手段、擴展應用領域等手段，使器件性能千億次浮點運算同時，具有相對良好的應用環(huán)境和調試手段。

 

“魂芯 II-A”芯片擁有當前業(yè)界性能最強的 DSP 核，單核實現(xiàn) 1024 浮點 FFT （快速傅里葉變換）運算僅需 1.6 微秒，運算效能比德州儀器公司 TMS320C6678 高 3 倍，實際性能為其 1.7 倍，器件數(shù)據(jù)吞吐率達每秒 240Gb。

 

“魂芯 II-A”芯片支持 Rapid I/O、PCIE、JESD204B 等多種協(xié)議，支持片上網(wǎng)絡調試、遠程調試，為系統(tǒng)維護開發(fā)提供便捷和快速實現(xiàn)手段。作為通用 DSP 處理器，“魂芯 II-A”將廣泛運用于雷達、電子對抗、通信、圖像處理、醫(yī)療電子、工業(yè)機器人等高密集計算領域。目前，正在多種重大裝備以及圖像處理領域中推廣使用。

 

“魂芯 II-A”的推出，使得軟件無線電從理想走向現(xiàn)實，人們夢想著系統(tǒng)功能主要取決于軟件算法成為可能，同時為我國建立自主體系高端 DSP 產(chǎn)品譜系奠定堅實基礎。發(fā)布會現(xiàn)場，該芯片受到行業(yè)內專家和媒體的高度關注。

 

DSP（即 igital Signal Processor，數(shù)字信號處理器）是進行數(shù)字信號處理的專用芯片，是伴隨著微電子學、數(shù)字信號處理技術、計算機技術的發(fā)展而產(chǎn)生的新器件。DSP 可以快速的實現(xiàn)對信號的采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。DSP 處理器的應用領域很廣，包括音視頻、通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫(yī)療、家用電器等許多領域，但實際上沒有一個處理器能完全滿足所有的或絕大多數(shù)應用需要，設計工程師在選擇處理器時需要根據(jù)性能、成本、集成度、開發(fā)的難易程度以及功耗等因素進行綜合考慮。DSP 供應商除了 Texas Instruments（TI）、Analog Devies（ADI）外，還有數(shù)十家小的公司。

 

中國國產(chǎn) DSP 在商業(yè)領域目前國內幾乎是空白，市場份額基本被美國德州儀器等廠商壟斷。在雷達、電子對抗等領域的電子裝備中，長期以來一直采用國外的 DSP 芯片。由于政治方面的因素，美國政府禁止出口軍品級 DSP 芯片，使中國的武器裝備不得不使用低等級芯片代替高等級芯片使用，這樣嚴重影響了裝備的性能。如果采取從商業(yè)芯片篩選的做法，又會因為商業(yè)芯片相對于軍用芯片較短的生命周期和穩(wěn)定性，加大了裝備使用期內的維護保障困難。

 

出于安全考慮，我們必須自主研發(fā)。自主研發(fā)的芯片不一定安全，但買來的芯片一定不安全。

 

近年來，國內發(fā)布了多顆 DSP 產(chǎn)品。下面我們來看看國內有哪些 DSP 產(chǎn)品。

 

“魂芯 I”DSP

前面剛剛介紹了“魂芯 II-A”，我們就來說說“魂芯 I” DSP。

 

2006 年，中國電科 38 所開始進入 DSP 芯片設計領域，在各方支持下，經(jīng)過 6 年的努力，于 2012 年推出我國第一款從指令集、體系結構到開發(fā)環(huán)境均自主的實用型高性能浮點通用 DSP“魂芯 I”BWDSP100。

 

“魂芯 I”是一款 32 位靜態(tài)超標量處理器，采用 16 發(fā)射、SIMD（單指令流，多數(shù)據(jù)流）架構。根據(jù)性能需求不同，處理器可工作于 300MHz～500MHz 主頻，在 500MHz 主頻下，峰值定點運算能力為 30GOPS，峰值浮點運算能力為 26GFLOPS，峰值通信能力為 8GBPS。指令總線寬度為 512bit，內部數(shù)據(jù)讀總線位寬為 512bit、內部數(shù)據(jù)寫總線位寬為 256bit。

 

“魂芯 I”芯片性能高于同期市場同類 DSP 性能 4-6 倍，通過成功應用在我國多個國防科技裝備型號，一方面大大提升了國防科技裝備的性能，另一方面也驗證了我們自己設計的處理器的可用性和可靠性。

 

“魂芯 I”也成為我國第一款廣泛應用于國防科技裝備的高端自主數(shù)字信號處理器，在國防安全、公共安全、物聯(lián)網(wǎng)、通訊等產(chǎn)業(yè)中均具有廣泛應用前景，其成功應用將打破國外高端數(shù)字信號處理芯片對我國高性能計算領域的壟斷。

 

“華睿”系列 DSP

“華睿 1 號”

中國電科 14 所及子公司北京國睿中數(shù)科技股份有限公司、清華大學、龍芯中科聯(lián)合在 2009 年 8 月完成“華睿 1 號”芯片的系統(tǒng)設計，2009 年 12 月完成芯片的物理設計，2010 年 1 月進行芯片流片，2010 年 6 月完成芯片的封裝及成測，于 2010 年 12 月正式發(fā)布。在研發(fā)過程中，選擇了基于龍芯 3 號通用處理器的架構，結合實際應用提取和增加了一些專用指令和運算單元的方式開發(fā)華睿 1 號 DSP 芯片。

 

“華睿 1 號”是國內首款具有國際先進水平的高端 DSP，芯片集成了 4 個高性能 DSP 處理器核，支持 32/64 位浮點運算和 8/16/32/64 位定點運算，具有 4MB 分布式共享二級 Cache，以及 2 個 64 位帶 ECC 的 DDR2/3 內存控制器，采用 65nm CMOS 工藝，工作主頻為 550MHz，處理能力 32GFMACS，功耗為 10W 采用了先進的 65nm CMO 工藝和多核架構實現(xiàn)，并創(chuàng)新性地融合了 DSP 和 CPU 設計技術，填補了我國多核 DSP 領域的空白。

 

“華睿 2 號”

“華睿 2 號”于 2016 年 8 月 31 日通過測試，2017 年 10 月亮相第三屆軍民融合發(fā)展高科技裝備成果展覽會。

 

“華睿 2 號”是在實現(xiàn)華睿 1 號基本功能的前提下，進一步改進了專用指令和向量運算單元，同時加入了可重構的運算核，更高效地面向專用領域的計算，在通用的基礎上更偏向專通結合。“華睿 2 號”DSP 的處理能力達每秒四千億次運算水平。華睿 2 號 DSP 為八核異構架構，采用了超標量結構、SIMD 向量處理、可重構加速處理等技術；

 

“華睿 3 號”

下一步，中國電科十四所計劃將在“華睿 3 號”上采用更為先進的制造工藝，進一步提高主頻，目前規(guī)劃是 2G 以上，以提高通用性能。在專用性能方面采用流處理器方式，提高專用計算的性能，同時降低功耗。

 

全國產(chǎn)化 DSP 生態(tài)鏈

經(jīng)過七年艱苦卓絕的奮斗，“華睿 DSP”建立了包括支持中國電科 32 所 ReWorks 操作系統(tǒng)、人大金倉嵌入式數(shù)據(jù)庫、編譯器、調試器和基于 VSIPL 標準的矢量函數(shù)庫等全國產(chǎn)化 DSP 生態(tài)鏈，芯片設計、軟件開發(fā)、平臺研制、應用驗證等工作順利完成，目前“華睿 1 號”信號處理平臺已成功應用于十多型雷達產(chǎn)品中，為我國雷達裝備高端處理芯片國產(chǎn)化寫下濃墨重彩的一筆。“華睿 2 號”DSP 芯片目前已完成第三方測評，基于該芯片的國產(chǎn)化信號處理平臺的產(chǎn)品驗證與推廣應用即將拉開帷幕。

 

不過“魂芯”系列和“華睿”系列都是專用 DSP。接下來看看通用 DSP。提到通用 DSP，首先就要提到“銀河飛騰”系列 DSP。

 

國防科技大學計算機學院“銀河飛騰”DSP

國防科技大學計算機學院教授陳書明以扭轉我軍武器裝備核心元器件受制于人的被動局面為己任，帶領高性能微處理器創(chuàng)新團隊，連續(xù)完成我國第一顆正向全兼容 DSP，第一顆軍用異構多核 DSP、第一顆抗輻照高性能 DSP 的研制任務，在不斷創(chuàng)造第一的奇跡中實現(xiàn)“中華軍芯”的跨越式發(fā)展。

 

YHFT－DSP/700

2004 年 12 月 17 日，國防科技大學計算機學院自主研制的“銀河飛騰”高性能數(shù)字信號處理芯片(YHFT－DSP/700)宣布研制成功并通過國家鑒定，這是國內首個自主研制的 32 位的浮點 DSP。在 0.18 微米工藝下，主頻可達 238MHz，浮點運算性能達 1428MFLOPS，定點運算性能達到 1900MIPS．乘加運算能力達每秒 474M 次．功耗僅 1.5W；增強的哈佛結構，RlSC 指令集、32 位指令字，32 個通用寄存器；八路超長指令字結構，包含 2 個乘法部件和 6 個算邏運算部件；指令條件執(zhí)行，使編譯器能夠更大程度地開發(fā)并行性；具有 110 余種指令類型和豐富的尋址方式；含有 32K 位 L1 級數(shù)據(jù) Cache、32K 位 L1 級指令 Cache 和 512K 位 L2 級 Cache；支持 14 級中斷:支持豐富的外部接口: 定時器、主機接口、增強的 DMA、外部存儲器接口、多通道緩沖串口，可直接連接三大類 60 余種存儲器，在多種模式下傳輸；開發(fā)了基于 YHFT-DSP/700 的編譯器及其配套軟硬件開發(fā)環(huán)境。

 

經(jīng)過嚴格測試的 YHFT-DSP/700 芯片已在國內 10 家單位使用，并可批量供貨。為方便設計 SOC 芯片，同時開發(fā)了以 YHFT-DSP/700 為基礎的高性能 DSP 軟核和硬核，可作為 IP 使用。 

 

YHFT-QDSP

YHFT-QDSP 是一款異構多核 DSP；包含一個 RISC CPU 內核和四個增強的 YHFT-DSP/700+ VLIW DSP 內核，其中 RSIC 核包括 UART, GPIO, 定時器、CAN 總線以及以太網(wǎng)等外設，YHFT-DSP/700+是 8 流出的 VLIW DSP 內核，包括兩個 32 位乘法單元和 4 個 ALU 單元以及 2 個數(shù)據(jù)存取單元，每個核包括 256KB 內存，且低 64KB 可部分或全部配置為 L2 Cache。YHFT-QDSP 利用多種互連方法支持多核通信，其中包括：管理總線（MB）用于片內 RISC 核和 DSP 核之間的通信。RSIC 核可通過該總線控制 DSP 核的啟動和停止，并向 DSP 核灌入執(zhí)行程序。該總線還支持 RISC 核和 DSP 核之間互發(fā)中斷。

 

在 0.13 微米工藝下，YHFT-QDSP 的頻率達到 350MHz，性能大于 11.2GOPS，功耗約 2.99W，該芯片目前已應用于圖像處理領域，另外在無線基站、雷達等領域也有著廣泛的應用前景。經(jīng)過嚴格測試的 YHFT-DSP/700 芯片已在國內 10 家單位使用，并可批量供貨。為方便設計 SOC 芯片，同時開發(fā)了以 YHFT-DSP/700 為基礎的高性能 DSP 軟核和硬核，可作為 IP 使用。

 

“銀河飛騰”的研制成功，不僅打破了中國高端通用數(shù)字信號處理器市場長期由國外產(chǎn)品壟斷的局面，而且標志著中國 DSP 設計技術達到了世界先進水平，對提高我國的國家安全有著重要意義，有利于完善我國經(jīng)濟信息系統(tǒng)以及國防領域在應用高端 DSP 芯片時產(chǎn)生的安全和保密問題。

 

中科芯 DSP

中科芯集成電路股份有限公司（中國電科 58 所）是我國最早從事 DSP 研發(fā)的單位。

 

 

進芯 DSP

2012 年 10 月，中國電科 58 所副總工程師黃嵩人離職創(chuàng)建湖南進芯電子科技有限公司，致力于成為中國市場最優(yōu)秀的數(shù)字信號處理芯片及嵌入式解決方案供應商。

 

公司主要產(chǎn)品是國產(chǎn)高可靠性和具備自主知識產(chǎn)品的 16 位和 32 位定點與浮點 DSP 芯片，包括 AVP32、ADP32、ADP16。

 

AVP32 是一款高性能、低功耗的 32 位浮點 DSP，運行速度可達每秒 150MFLOPS，可尋址范圍為 16MB，內設一個 DMA、1 個 Cache 和 4 塊 RAM 以保證程序高速運行，適合應用于對數(shù)字處理要求較高的領域。

 

ADP32 是高性能低功耗 32 位定點 DSP，主頻 150M，片內存儲資源豐富并可片外擴展，通用 IO 多達 56 個，集成 2 個 16 位 6 路 PWM 控制器、12 位 16 通道 ADC、3 個外部中斷、SPI 接口、2 路 UART 接口、e-CAN 驅動器、MCBSP，支持 JTAG 在線仿真，內置 128 位安全密鑰，具備強大的 ESD 防護能力。

 

ADP16 是高性能 16 位定點 DSP，主頻 80M，內嵌 flash，多通道 PWM 控制器，多通道 12bit ADC，SPI，SCI，McBSP 等高性能通訊接口。

 

公司的產(chǎn)品應該還處于推廣期，具體性能還有待考驗。