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德州仪器首席科学家谈DSP 30年简史

作者:时间:2017-04-19来源:网络

  今年,是TI DSP走过的第30个年头,这30年是DSP历史的30年,也是的30年。值此30周年之际,TI首席科学家Gene Frantz(方进)在IEEE撰文,详细叙述了TI DSP的发展历程与其本人与DSP的不解之缘,这也是DSP技术不断创新的动力源泉:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201704/346813.htm

  DSP的理论首次被提出(或者说是被重新提出,这取决于你如何接受)是在20世纪六十年代中期,当时我还在读高中。到了七十年代初,我听说数字信号处理可以在通信方面起到一些神奇的作用。后来我在的计算器部门工作,同时攻读我的硕士学位,也正是那时,我在一本名叫《Digital Signal Processing》的教科书中接触到了数字信号处理的理论,那是1977年。

  这本书是叫Oppenheim和Schafer的两个人写的。我在此要对那些为DSP理论奠定基础和为数字信号处理取得革命性胜利做出贡献的伟大的教授、科学家和以及工程师们表达最深切的敬意。

  玩具“Speak& Spell”

  在20世纪70年代,数字信号处理还仅仅是一项受限于计算机的实时操作实现能力和掌握熟练DSP技能的工程师的技术。而我是负责Speak &Spell这个产品的团队中的一员。这款产品是首次搭载DSP技术的儿童玩具,通过合成语音来进行启蒙教育。

  这个团队创立之初只有四个人。Paul和我负责产品研发这一块。我们还拉入一个IC架构师Larry Brantingham,和一个语音系统专家Richard Wiggins。能赶上那个时机对我们来说真的很幸运。记得那是1976年的秋天。图1是我们拿着一个Speak& Spell产品的照片,那是Speak& Spell在1978年诞生后拍摄的。

  图1 拍摄于1978年夏天,正值Speak & Spell最初开发的阶段,从左至右:Gene Frantz, Richard Wiggins, the Speak & Spell, Paul Breedlove and Larry Brantingham

  在为这款产品的可行性研究确立了内部资金之后,我们四个开始了这项工程的可行性研究。1976年的12月,我们用一台内嵌阵列处理机的TI-980电脑来进行演示。我们设计了芯片组并且在1978年成功推出了原型机。在6月份芝加哥举办的CES(美国消费电子展)展会上,我们为这款产品进行了宣传。8月份,Speak& Spell就开始投产了。首次出货进入市场是在9月份。1982年,Speak& Spell出现在了斯蒂芬•斯皮尔伯格的大片ET中,从而成为了流行文化的巅峰之作。

  当时,我感觉我们是走在DSP技术革命的最前沿,我们也意识到了半导体技术可以广泛地商业化,而关键要做的就是培养足够多的DSP工程师,同时要让客户能够跨越这个新旧技术交替的鸿沟,让他们肯去冒这个风险,而且我们要打造出一个简单易用的平台。正如我所看到的,数字信号处理技术拥有无限的潜力,它将在手机、成像、医疗电子、安防等领域掀起一场数字革命。

  从系统到组件

  有了做Speak& Spell的经验之后,我加入到了TI新成立的DSP团队,我们通过这个团队,把这项革新的技术推广给大众。我们从拜访那些数字信号处理领域的权威教授开始,为他们提供TI当时的主流可编程DSP设备的硬件和软件,让他们来进行研究和实施,从而加速这种技术在市场上的扩散。但是这些还不够,TI需要加速那些DSP人才的培养,所以我们赞助了教科书、实验室,捐赠了设备,还游说了全球各地的教授来推动大学中的DSP教育,无论是博士还是学士,都有机会接触到DSP的课程。我还看到了客户对于这项技术的实习培训和应用说明的需求。我们的第一款产品是TMS32010,性能达到了5MIPS,并拥有55000个晶体管。1982年2月4日我们在ISSCC上发布了这款产品,一年以后进入市场。图2是TMS32010的裸片图。

  图2 TMS32010的裸片图,拥有3-nm NMOS的设计技术以及大约 50,000 逻辑门电路库.

  在客户方面,我们为他们呈现了数字信号处理技术的众多优势。我们知道要说服他们就要展示出产品的易用性和优越性能。我的激情就在于为这项新技术不断开辟新的应用和使用者。早期DSP的应用仅限于一些通信、高速调制解调器和军事领域。我们也尝试着去寻找一些可以嵌入DSP技术的客户产品。但是一个灵感让我们又重新回到了玩具市场。我们与一家名叫Worlds of Wonder的小公司合作推出了一款能够听说的玩具Julie。

  Gene’s Law

  我开始思考,我们如果想要改变世界,那么产品必须变得更加便携。这驱使我把功耗当做IC设计的重要部分。低功耗技术的革新是便携领域从模拟转向数字的本质要求。于是我又从头到尾研究了一遍数字信号处理,寻找降低功耗的方法。后来我选择了数字信号处理的一项基本功能---- MAC功能。令我感到意外的是,数字信号处理器件的功率损耗(以Mw/MMACs计)平均每18个月会减掉一半。于是,我拿着一张对比图表来敦促我们的设计团队,让他们将功耗作为一个优先课题。我创造了一个“Gene’s Law”定律,意思是,为了迎合客户的需求,我们平均每两年就要把功耗降低一半,TI也一直很果敢地担当着这个重任。TMS320C54x产品诞生后,我们实现了让手机通话时间持续几个小时,待机时间持续数天。图3展示了自1982年创建以来的Gene’s Law。

  图3 Gene’s Law描述了DSP发展过程中,每单位信号处理的功耗损失率

  1992年,世界上首个GSM网络开始部署,并且承诺将要实现低成本、无处不在和便携通讯。十年后,全球手机用户量达到了10亿部,而到了今天,这个数字变成了50多亿。从最初只支持语音通话的简单移动电话,变成了如今一个支持语音与数据的多媒体平台。要在同样的功耗下将手机和基站的性能提升10倍,这对于TI来说又是一个巨大的挑战。随着用户界面和应用程序越来越重要,TI为手机研发了第一套多媒体处理器,运用OMAP应用平台。它其中包含卓越的通用处理器、图形和数字信号处理等功能,应用于高质量相机、高清视频和音乐。

  从产品到使能器的转变

  也许有人会觉得DSP作为一个产品,从一文不值到创造每年数十亿美元的价值之后又销声匿迹很奇怪。但是这确实是一个好消息的开始。它并没有销声匿迹,只是融入到了每一部数字处理系统中而已。为什么这么说呢,因为我们在IC技术中所做的努力已经允许在硅芯片中嵌入DSP。曾经的DSP是非常大的,而如今却小到几乎看不见。首个可编程DSP TMS32010将其裸片的四分之一用于乘法器,而现在的乘法器如此的小就像曾经用过的接合垫。DSP的核心理论现在也可以在嵌入式处理器世界中获得更大的发挥价值。

  从另一个角度看来,我们也在针对特定市场的需求为我们的信号处理器进行着优化。与其说我们打造了一条DSP产品线,不如说我们打造了一条通信信号处理器、音频信号处理器、视频信号处理器、图像信号处理器和马达控制处理器的产品线,所有这些都能采用DSP的理论和硬件。很显然,下一步是很关键的,就是我们要将DSP集成在各种系统处理器(像ARM)、各种加速器和外设中,通过集成化这些元素,我们就创造出了完整的嵌入式处理器的系统解决方案。所以信号处理的历史,从发现DSP理论到目前为止,可以总结为信号处理理论到信号处理器产品的转变,甚至是到嵌入式处理器系统的使能器的转变。

  而DSP的第三个发展方向是创造了多线程处理架构。随着具有特定应用的系统渐渐兴起,从可编程的处理器转向可配置处理器,再到单功能处理器,这些都是合理的。因为实际信号的平行性,这种转移到固定功能单元是普遍的。在RISC处理器与多种可配置IP模块组合后的控制下,一个崭新的嵌入式处理系统出现了。这与一台设备中有多个完全相同的处理器概念是不同的,这个信号处理的世界是虽然符合阿姆达尔定律(阿姆达尔定律的主要观点是随着系统中处理器的不断增加,系统的速度将会趋于稳定)的世界,但这个世界又是一个特例,因为该系统可以被拆成数个小的专用并行处理单元。而这些单功能的加速器具有更高的性能、更低的功耗和更低的成本,使得系统更加的稳定易用。

  这三项重大的研发成果把我们带到了今天,这是一个多么令人兴奋的时代,系统设计师们仍然在寻找着超乎我们想象的机遇。在客户方面看来:技术允许DSP成为高度优化的解决方案的一部分,满足了他们差异化的需求,与那个微处理器的只有一种通用型号的时代形成了鲜明对比。有了高度优化的SoC,我们可以提供更高的性能、更低的功耗和更低的成本。

  展望未来

  所以,我们下一步将要怎样走呢?别急,有意思的事才刚刚开始。我们现在有多重选择:最低功耗器件;低功耗、电池供电的器件;和极高性能的并行处理系统。我们可以将嵌入式处理系统同异质处理器(heterogeneous processors)、加速器和周边外设结合起来处理旧的信号和新的信号。处理信号的需求在不断增长。我的一个麻省理工学院的朋友说:“永远都会有新的吸引人的信号出现,永远都会有处理信号的需求。”目前的IC技术让我们在处理信号上面变得更容易,成本更低,功耗更小,而且器件的尺寸也更加迷你。

  通过提升处理器的性能,我们还可以探索一些我们过去没有考虑到的新信号。例如,即将引入的3D图像和视频分析。的确,这些概念已经存在很多年了,但是我们现在才有足够的处理性能来精确地做一些得心应手的处理。

  在这幅宏图的另一端是极低功耗。有了这样的技术,我们可以发掘一些新的概念,如“能量清道夫(energy scavenger)”和“永久设备(perpetual device)”等。这些完全是新的机遇,我们对其还一无所知,我们要对它们进行探索。而云计算的概念为我们探索这些领域打开了一扇窗----我将其叫做“clutter around the cloud”,我们将会发掘出上千种可以和“云”扯上关系的东西,像包括智能传感器和超薄客户端等等。最后一个令人兴奋的事情是,在集成电路技术的这一点上,我们可以考虑结合数字和模拟概念来更好地处理信号。

  这是一个令人兴奋的技术新纪元。我亲身经历了从DSP诞生,帮助其成长,到眼见其成熟。我也见证了从当初的一个器件到如今的每个器件中都有DSP的技术,通过以下这些努力:

  1) 通过TI的DSP技术,我们很快将会看到,现在那些很笨重很昂贵的医疗设备通过TI DSP技术将会变得小到可以拿在内科医生和急诊医生的手中。

  2) 便携超声仪器将很快应用于阿富汗和伊拉克的野战医院中,它们也将改变印度和中国的医疗保健现状。

  3) 通过使用TI的DSP技术,空调等家用电器进行了调速电动机控制以后,效能正在发生戏剧性的改进。

  4) 安全摄像头正在脱离模拟的时代,转向基于IP的数字技术,可以通过更加精细地分析迅速的报警。

  5) 电动车正在被基于安全的系统“照看”着,随时提醒司机潜在的危险。

  6) 太阳能和风能等替代能源利用TI的DSP技术将直流电转化为交流电,从而可以安全地接入电网。

  这些都是真正激动人心的伟大时刻。TI的DSP技术正在让人们的生活更健康、安全、环保、智能,也更有乐趣。而且,就DSP技术为世界带来的改变来看,我们现在还仅仅是享受到皮毛而已。

  尾声

  我整个的职业生涯都在为DSP技术寻找新的应用以及新的使用者。我是TI的一位研发人员,我的职位给了我追求我的激情的广阔空间和强大的后盾。

  但是寻找新的应用和新的使用者并不是听起来那么简单。全球的创新因素并不是有组织的,所以我花了很大一部分时间周游世界各地,寻找那些想要改变世界的思想者。他们大多数会出现在大学和一些初创型公司中。这些年我一直都说创新与公司的规模成反比。但令我惊奇的是,TI虽然是所谓的“大公司”,但却一直保持着创新。我只能说TI是与众不同的,它的技术人员把自己想象为在初创公司中,直到他们需要大公司的支持力量时。这就是TI与众不同的企业文化。

  在那些大学里,我做了很多关于创新和技术将会怎样改变生活的演讲。我真正的收获是那些演讲之后找我谈话的人,他们也是真正的创新者。我还要注意区分大众想法和有价值的想法,而那些有价值的想法正是我所寻找的。和一个创新者谈话,我的目标是鼓励他和向他展示TI怎样帮助个人成功。在TI,我们不断寻找和奖励新的灵感,这也是我继续寻找新的机会和技术的方法。我目前感兴趣的领域是机器人学、可再生能源和提高生活品质的技术。但是我一如既往地对更多领域感兴趣,只要它们能用到DSP技术,我将会随时洗耳恭听。



关键词: 德州仪器 DSP

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