“魂芯 II-A”發(fā)布，盤點(diǎn)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(shè)峰會上發(fā)布了實(shí)際運(yùn)算性能業(yè)界同類產(chǎn)品最強(qiáng)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(shè)計，歷經(jīng) 6 年不斷完善和修改，通過“魂芯 I”實(shí)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(shè)計，2017 年一次流片成功，初步形成了“魂芯”品牌技術(shù)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(shí)基礎(chǔ)。

 

 

“魂芯 II-A”在一秒鐘內(nèi)能完成千億次浮點(diǎn)操作運(yùn)算，單核性能超過當(dāng)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(guān)時序接口，可以實(shí)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(xué)家、“魂芯 II-A”總設(shè)計師洪一表示，芯片采用全自主體系架構(gòu)，通過單核變多核、擴(kuò)展運(yùn)算部件、升級指令系統(tǒng)、擴(kuò)大存儲容量、加大數(shù)據(jù)并行、豐富調(diào)試手段、擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域等手段，使器件性能千億次浮點(diǎn)運(yùn)算同時，具有相對良好的應(yīng)用環(huán)境和調(diào)試手段。

 

“魂芯 II-A”芯片擁有當(dāng)前業(yè)界性能最強(qiáng)的 DSP 核，單核實(shí)現(xiàn) 1024 浮點(diǎn) FFT （快速傅里葉變換）運(yùn)算僅需 1.6 微秒，運(yùn)算效能比德州儀器公司 TMS320C6678 高 3 倍，實(shí)際性能為其 1.7 倍，器件數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)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(luò)調(diào)試、遠(yuǎn)程調(diào)試，為系統(tǒng)維護(hù)開發(fā)提供便捷和快速實(shí)現(xiàn)手段。作為通用 DSP 處理器，“魂芯 II-A”將廣泛運(yùn)用于雷達(dá)、電子對抗、通信、圖像處理、醫(yī)療電子、工業(yè)機(jī)器人等高密集計算領(lǐng)域。目前，正在多種重大裝備以及圖像處理領(lǐng)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(shí)，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(shí)基礎(chǔ)。發(fā)布會現(xiàn)場，該芯片受到行業(yè)內(nèi)專家和媒體的高度關(guān)注。

 

DSP（即 igital Signal Processor，數(shù)字信號處理器）是進(jìn)行數(shù)字信號處理的專用芯片，是伴隨著微電子學(xué)、數(shù)字信號處理技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新器件。DSP 可以快速的實(shí)現(xiàn)對信號的采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、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(yīng)用領(lǐng)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(dá)、軍事、航空航天、醫(yī)療、家用電器等許多領(lǐng)域，但實(shí)際上沒有一個處理器能完全滿足所有的或絕大多數(shù)應(yīng)用需要，設(shè)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(jìn)行綜合考慮。DSP 供應(yīng)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(lǐng)域目前國內(nèi)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(dá)、電子對抗等領(lǐng)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(yán)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(nèi)的維護(hù)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(nèi)發(fā)布了多顆 DSP 產(chǎn)品。下面我們來看看國內(nèi)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(jìn)入 DSP 芯片設(shè)計領(lǐng)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(jié)構(gòu)到開發(fā)環(huán)境均自主的實(shí)用型高性能浮點(diǎn)通用 DSP“魂芯 I”BWDSP100。

 

“魂芯 I”是一款 32 位靜態(tài)超標(biāo)量處理器，采用 16 發(fā)射、SIMD（單指令流，多數(shù)據(jù)流）架構(gòu)。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(diǎn)運(yùn)算能力為 30GOPS，峰值浮點(diǎn)運(yùn)算能力為 26GFLOPS，峰值通信能力為 8GBPS。指令總線寬度為 512bit，內(nèi)部數(shù)據(jù)讀總線位寬為 512bit、內(nèi)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)用前景，其成功應(yīng)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(lǐng)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(xué)、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(shè)計，2009 年 12 月完成芯片的物理設(shè)計，2010 年 1 月進(jìn)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(gòu)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用提取和增加了一些專用指令和運(yùn)算單元的方式開發(fā)華睿 1 號 DSP 芯片。

 

“華睿 1 號”是國內(nèi)首款具有國際先進(jìn)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(diǎn)運(yùn)算和 8/16/32/64 位定點(diǎn)運(yùn)算，具有 4MB 分布式共享二級 Cache，以及 2 個 64 位帶 ECC 的 DDR2/3 內(nèi)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(jìn)的 65nm CMO 工藝和多核架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，并創(chuàng)新性地融合了 DSP 和 CPU 設(shè)計技術(shù)，填補(bǔ)了我國多核 DSP 領(lǐng)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(shí)現(xiàn)華睿 1 號基本功能的前提下，進(jìn)一步改進(jìn)了專用指令和向量運(yùn)算單元，同時加入了可重構(gòu)的運(yùn)算核，更高效地面向?qū)Ｓ妙I(lǐng)域的計算，在通用的基礎(chǔ)上更偏向?qū)ＭńY(jié)合。“華睿 2 號”DSP 的處理能力達(dá)每秒四千億次運(yùn)算水平。華睿 2 號 DSP 為八核異構(gòu)架構(gòu)，采用了超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、SIMD 向量處理、可重構(gòu)加速處理等技術(shù)；

 

“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(jìn)的制造工藝，進(jìn)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(diào)試器和基于 VSIPL 標(biāo)準(zhǔn)的矢量函數(shù)庫等全國產(chǎn)化 DSP 生態(tài)鏈，芯片設(shè)計、軟件開發(fā)、平臺研制、應(yīng)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(yīng)用于十多型雷達(dá)產(chǎn)品中，為我國雷達(dá)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(yīng)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(xué)計算機(jī)學(xué)院“銀河飛騰”DSP

國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院教授陳書明以扭轉(zhuǎn)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(lǐng)高性能微處理器創(chuàng)新團(tuán)隊，連續(xù)完成我國第一顆正向全兼容 DSP，第一顆軍用異構(gòu)多核 DSP、第一顆抗輻照高性能 DSP 的研制任務(wù)，在不斷創(chuàng)造第一的奇跡中實(shí)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(xué)計算機(jī)學(xué)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(nèi)首個自主研制的 32 位的浮點(diǎn) DSP。在 0.18 微米工藝下，主頻可達(dá) 238MHz，浮點(diǎn)運(yùn)算性能達(dá) 1428MFLOPS，定點(diǎn)運(yùn)算性能達(dá)到 1900MIPS．乘加運(yùn)算能力達(dá)每秒 474M 次．功耗僅 1.5W；增強(qiáng)的哈佛結(jié)構(gòu)，RlSC 指令集、32 位指令字，32 個通用寄存器；八路超長指令字結(jié)構(gòu)，包含 2 個乘法部件和 6 個算邏運(yùn)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(jī)接口、增強(qiáng)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(yán)格測試的 YHFT-DSP/700 芯片已在國內(nèi) 10 家單位使用，并可批量供貨。為方便設(shè)計 SOC 芯片，同時開發(fā)了以 YHFT-DSP/700 為基礎(chǔ)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(gòu)多核 DSP；包含一個 RISC CPU 內(nèi)核和四個增強(qiáng)的 YHFT-DSP/700+ VLIW DSP 內(nèi)核，其中 RSIC 核包括 UART, GPIO, 定時器、CAN 總線以及以太網(wǎng)等外設(shè)，YHFT-DSP/700+是 8 流出的 VLIW DSP 內(nèi)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(nèi)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(nèi) 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(dá)到 350MHz，性能大于 11.2GOPS，功耗約 2.99W，該芯片目前已應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域，另外在無線基站、雷達(dá)等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)過嚴(yán)格測試的 YHFT-DSP/700 芯片已在國內(nèi) 10 家單位使用，并可批量供貨。為方便設(shè)計 SOC 芯片，同時開發(fā)了以 YHFT-DSP/700 為基礎(chǔ)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(biāo)志著中國 DSP 設(shè)計技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)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(jì)信息系統(tǒng)以及國防領(lǐng)域在應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(yīng)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(diǎn)與浮點(diǎn) DSP 芯片，包括 AVP32、ADP32、ADP16。

 

AVP32 是一款高性能、低功耗的 32 位浮點(diǎn) DSP，運(yùn)行速度可達(dá)每秒 150MFLOPS，可尋址范圍為 16MB，內(nèi)設(shè)一個 DMA、1 個 Cache 和 4 塊 RAM 以保證程序高速運(yùn)行，適合應(yīng)用于對數(shù)字處理要求較高的領(lǐng)域。

 

ADP32 是高性能低功耗 32 位定點(diǎn) DSP，主頻 150M，片內(nèi)存儲資源豐富并可片外擴(kuò)展，通用 IO 多達(dá) 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(qū)動器、MCBSP，支持 JTAG 在線仿真，內(nèi)置 128 位安全密鑰，具備強(qiáng)大的 ESD 防護(hù)能力。

 

ADP16 是高性能 16 位定點(diǎn) DSP，主頻 80M，內(nèi)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(yīng)該還處于推廣期，具體性能還有待考驗。