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高性能汉芯系列

发布时间:2020-07-01 02:07:17 阅读: 来源:非开挖厂家

高性能汉芯系列DSPHigh Performance Hisys series DSPs上海交通大学微电子学院 汪苓 郭筝 王琴摘要:本文探讨了世界DSP市场与技术格局的发展趋势,介绍了汉芯DSP的技术水平和产业化进程,阐明了只有拥有自主的DSP核心技术,并且将其应用于整机产品中,才能真正体现其价值,从而推动整个信息产业的发展。

本文引用地址:关键字:DSP;系统芯片本文于4月22日收到。汪苓:工程师,主要从事芯片前端设计工作;郭筝:助教,主要从事DSP芯片测试工作;王琴:副教授,主要从事项目规划、管理。

随着现代计算机技术和互联网技术的发展,以集成电路为核心的电子信息产业已经超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业,成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。集成电路的发展趋势也由简单功能转向具备更多和更为复杂的功能,目前,系统芯片(SoC,System on Chip),以IP复用为基础,把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中,实现了集成电路设计能力的第4次飞跃。近几年迅速发展的SoC芯片大多以DSP和MCU为核心。因此,DSP技术也已经成为集成电路设计的核心技术之一。

一、世界DSP市场DSP和CPU被公认为半导体行业的两大核心技术。随着人们对信息的快速、精准处理的要求,DSP在芯片设计中的应用迅速增加。据Forward Concepts的统计显示:DSP产品市场每年正以30%的增幅大幅度增长,比整个半导体行业快50%。预计在2005年,全球DSP市场在IC领域所占比重将超过30%,达到100亿美元,到2007年,将达到500亿美元。另外,据市场调查公司ICE的资料显示,2002年在全球DSP市场上,用于通信新产品领域的DSP占有最大的市场份额,约占48%,在计算机和modem领域占30%,硬盘机占12%,消费电子产品领域占5%;在军事航天领域占5%。近两年随着消费电子市场的崛起,DSP在消费电子中的应用飞速发展。在如此巨大的全球DSP市场前,云集了一批世界级的电子厂商,其中TI、Analog Devices、Lucent和Freescale几家公司占领了DSP市场的大部分,还有一小部分被Hitachi、NEC、STMicroelectonics和Zilog等公司占据。

二、DSP技术格局与走势目前DSP相关核心技术主要掌握在国外公司手中。纵观国内外DSP的发展状况,DSP的发展趋势可归纳为:高集成度、高速、低功耗、抗干扰和高可靠方向。TI不久前制定的该公司在21世纪初的产品发展策略是:以DSP产品为核心,融合MCU、MPU(混合信号产品)和存储器等多种产品和技术,为用户提供统一的数字信号处理解决方案(DSPS)。其推出的TMS320C2000、TMS320C5000以及TMS320C6000被专家预测为21世纪初该公司的主流产品。其中TMS320C2000属于16位定点DSP,速度20MIPS,主要用于电话等通信产品;TMS320C5000系列芯片属于低功耗高性能DSP,16位定点、40-200MIPS,主要用于有线通信和无线通信设备、IP电话、寻呼机以及多种便携式信息系统;TMS320C6000属于高性能DSP,速度在1200-2000MIPS,可用于无线基站、网络系统、中心局交换机以及ADSL Modem等。Agere和Motorola这两家通信业巨头联合成立的StarCore推出的高性能SC140DSP内核,可以使用户的无线产品开发时间减少50%以上,在300MHz时,这种DSP的性能可达1200MMACS/3000RISCMIPS,而工作电压仅为0.9-1.5V,适用于集中式运算的下一代通信应用,如3G无线手机和基站、局用交换设备、DSL和VoIP等。中国的DSP技术起步较早,全国有百余所高校研究所从事DSP算法的教学与科研。目前在信号处理理论和算法方面与国外差距不大,但是系统芯片的实用化、产业化方面的工作进展缓慢。适合开发的国内DSP市场包括家电、军工、汽车、信息安全和玩具市场。中国的DSP处理器和其衍生芯片必将是针对这些巨大市场而开发的。

三、汉芯DSP产品依托长三角集成电路产业的优势,在汉芯人的共同努力下,"汉芯一号"-国内第一款自主研发、速度达到200MHz并采用0.18微米工艺流片的16位定点数字信号处理器于2002年2月26日面世。"汉芯一号"高性能DSP芯片项目得到王阳元、邹世昌、许居衍等院士和863计划IC专家组组长严晓浪教授的权威鉴定:"汉芯一号"及其设计、应用开发平台属于国内首创,达到了国际先进水平,是中国的芯片发展史上一个重要的里程碑。汉芯二号、三号是上海交通大学继“汉芯一号”之后的又两个重大科研成果。“汉芯二号、三号”高性能DSP芯片作为汉芯家族的新成员,在性能和开发支持等方面又有了较大的发展。汉芯二号24位DSP芯片采用0.15~0.18微米半导体工艺设计,具有每秒1.5亿次指令的运算速度和150Mhz的时钟主频。国家863计划的重点项目“汉芯三号---32位DSP芯片”,主频达到300MHz/600MIPs,采用低功耗设计方法,平均功耗仅为30mw/100MHz,已超出国家863原定的性能要求。专家一致认为,汉芯三号芯片达到了国际著名公司同类产品的先进水平,是我国高性能、低功耗32位DSP芯片研究的重大突破。 图1 汉芯一号

图2 汉芯三号

四、核心技术和创新点汉芯系列DSP共申请12项专利和一项布图保护,创新点包括支持多字指令格式,片上存储器和Cache是可切换结构,Cache容量可重构,快速响应中断结构,独特的可嵌套硬LOOP结构可加快算法速度,提供多种低功耗工作方式。汉芯系列DSP和国外同类产品相比,性能处于国内领先、国际先进水平,但价格远低于国外产品,良好的性价比将在信息家电、音频处理、多媒体通信等领域大显身手。其他主要创新点有:1)多级灵活Cache结构为了平衡处理器和存储器之间的速度差异,进一步降低DSP对存储器的访存压力,汉芯系列DSP芯片设计了高效灵活的Cache结构,采用带有二级Cache的改进的哈佛结构,单周期能够执行多条指令。针对不同的设备应用,Cache的容量是可以动态调整,因此Cache模块是十分灵活实用的。

图3 带有二级Cache的改进的哈佛结构

2)深度流水线结构汉芯系列DSP采用多级深度流水线结构,单周期并发多条指令,Load和Store在流水线的同一级执行,消除了读和写内存冲突。

图4多级流水线结构示意图3)低功耗技术汉芯系列DSP在设计时已考虑到低功耗的需求,大量使用专门针对低功耗的VLSI设计方法,包括专门的低功耗标准元件库,低功耗为重要指标的电路综合流程,芯片等待停止模式的结构设计,和智能化电源管理电路等技术。除了正常工作模式外,DSP核还支持SLEEP和STOP两个更低功耗模式,最终使得处理器的功耗处于同类产品的领先水平。4)强大的配套应用开发环境软件部分共包括仿真器、调试器、汇编器和高级语言编译器,高级语言编译器可以提供用户简便的编程方式,同时在设计上如何设计编译优化算法是实现高效并行处理的关键所在。

五、主要应用基于汉芯DSP目前已在研发音视频消费电子、信息安全、国防等领域的多种应用方案。1) 音频应用:汉芯二号DSP芯片为语音信号处理提供了更好的信号保真度,使之实现MP3功能十分方便。基于汉芯二号DSP的MP3实现方式,可实现以下功能:* 数据互通:具有多种常用的标准接口,可以通过USB线、MMC/SD卡、红外端口、串行口等方式同PC、笔记本电脑、数码相机、手机等设备进行资料交换,从而达到备份或复制的目的。* 多媒体:震撼的多媒体功能,无需主时钟输入,支持MP3和MPEG播放,集成立体声耳机放大和单声道扬声器放大,模拟音量和平衡调节从+18~75 dB并且可以静音,采用了超采样和多bit噪声整形技术,双通道额外立体声输入(AUX)可以进行声源选择和混音,具有无可比拟的视听感受;录音功能则可将使用者的声音录制,并可以进行压缩方便存储。2)信息家电产品:汉芯一号、三号我国已经成为世界上最大的电器制造国之一,主要电器的年产量居于世界前茅。但是国内的家电产业,主要用昂贵的国外芯片,国内生产厂家仅仅是从事简单、低附加值的加工,而整机过程所获利润在电子产品中所占比例不到10%。从本质上看,DSP是家电升级换代最关键的芯片技术。由于具有强大的数据处理能力,它能突破许多现有的单片机(MCU)无法解决的技术瓶颈。家电中的模糊控制、变频控制、声音控制等关键技术都是以DSP芯片为核心而形成的。以数字高清电视为例,DSP是高清电视等信息家电产品的核心技术。成熟的DSP芯片同样能够提供强大的基于MPEG2的视频解码功能。以汉芯DSP为核心的视频解码器能够满足HDTV视频高速处理信号的要求,并减小外部干扰信号的影响,从而提高视频的质量。3)国家核心部门和高端领域:汉芯一号现代军事战争中,各种武器装备对信号处理速度的要求都很高,因为信号处理速度直接关系到战场上作战的反应速度,是决定战争胜负的关键因素。我国武器装备、航天技术等核心部门和高端领域使用的各种设备基本硬件的核心芯片,长期依赖美、日两国是断然不可行的,我国必须自主研发出适合我国国防建设的芯片。汉芯系列高性能DSP具有自主知识产权,必将大量应用于我国武器装备的改造,替代进口芯片产品,摆脱对进口高端芯片的依赖,实现科技强军,提升中国在国际军事战略中的地位!

总而言之,汉芯的产业化,对于我国的信息产业的发展,无疑将产生巨大的推动力。强大的研发实力,十足的团队活力,让汉芯在这条路上奋然前行,逐步迈向成熟。相信,在系统产品领域问鼎中国市场将指日可待。参考文献[1] 王琴 “汉芯,IC时代的弄潮儿” 集成电路应用 2004.10[2] Yervant Zorian "Test Requirements for Embedded Core-basde System and IEEE P1500" International Test Conference 1997 IEEE联系方式:上海华山路1954号浩然大厦7楼,200030

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