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DSP市场与趋势
 

【作者: 覃禹華】2001年06月01日 星期五

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在现今的半导体产业中,数位讯号处理器(DSP)是众所瞩目的焦点之一。它的应用主要是在即时、高速的资讯处理与运算,如收音机、影像和声音讯号等。简而言之,人机介面的效益增加它的需求,现今通讯产品的应用市场更加对DSP技术的殷切需求。


在1960年代,DSP还仅局限在校园里发展,到了1978年左右,德州仪器(TI)这位将DSP带入商业化的拓荒者,首先开发以数位讯号处理技术的Speak & Spell玩具语音合成晶片,这也使得TI推出第一个DSP产品:TMS32010,于1982年正式商品化,从此也进入了DSP的时代。


何谓数位讯号处理器?

试想想看!电脑处理大量的资料,而这些资料的Input/Output的介面,也就是与外部接触的介面,如键盘、滑鼠、网路连接等,这些都与DSP技术相关,大量资料的传输和连线装置的增加都大大影响电脑间的沟通。而DSP主要使用于压缩多媒体讯号、处理并重组正确的二位元的资料,因此尽可能有效运用频宽、压缩及解压缩资料;换言之,DSP在人与机器沟通间扮演重要角色。那么,DSP与CPU/MPU/MCU(General Purpose Processor;GPP)差异点有哪些?


‧GPP的功能在尽速执行或中断指令,而DSP功能在于接受、处理显示或重组一连串的资料,而它的要求在于符合外部频宽,否则将有资料流失。因此指令的撷取关系着GPP的表现,而资料的撷取关系着DSP的好坏。


‧多单元处理功能:碍于程式的长度和操作的限制,GPP的资料和工作量很难去分数个单元去执行。而DSP可重复的处理大量的资料,因此很容易将工作量分由数个DSP单元执行。


‧应用程式:一般GPP所使用较高阶的程式语言来编写应用程式,如C、C++、Java等,相对来说,DSP则使用组合语言来编写。


‧效能:对GDP与DSP来说,增加工作频率相对的增加其效能,但是实体环境是效能所受到的最大限制,如POTS的频宽和缓慢的印表机等。


‧架构:DSP为了处理大量即时的资料,因此在建立一个或多个累加器(MAC)、内部多重记忆体存取汇流排、内建周边介面(DMA、GPIO...等)。


《表一 数字信号处理器(DSP)的演进 》
《表一 数字信号处理器(DSP)的演进 》数据源:IC Insight,TI,2001

‧定点(Fixed Point)或浮点(Floating Point)运算架构:选择发展的主要依据是根据资料的动态范围与表现的型态为考量。处理不同型态资料所需要的精确度不同,所以会需要不同的运算架构,例如以8-bit定点运算架构来处理图像,呈现的品质虽然不够好,但是仍是人眼可辨识的范围( 256色阶),当然使用8-bit以上的DSP能够使图像的呈现更加细致;而目前绝大部份的语音通讯都是使用16-bit定点运算架构。


虽然使用更高频宽架构的DSP可加强讯号处理的品质,但是价格也是一项发展的关键因素,DSP采用何种位元以及定点或浮点运算架构的选择,其实是在功能表现与价格上作取舍。定点运算架构是目前较普遍被采用而且价格较低,相较之下,浮点运算架构的市场定位便在追提供高品质的功能表现。


各种位元DSP的应用市场:


  • ●1.8 bits使用在影像与图像


  • ●2.16 bits使用在语音和数据通讯上


  • ●3.32 bits, 24 bits, 20 bits使用在声音、音频的表现


  • ●4.32和64浮点运算技术使用在特殊的需求上



‧不可程式化与可程式化的DSP,端赖其所应用的产品性,不可程式化的DSP通常运用在某特定标准的产品上,相对而言,内部架构都达到最佳化设计;而可程式化DSP可利用内部记忆体增修一些功能外,也可增加新的资料型态标准或通讯协定等。


市场规模与应用产品

在21世纪消费性产品增加了许多功能,使得DSP成为必备的元件或技术,如语音辨识系统、翻译器、全球定位系统、MP3、依路面情况调整的车用动态悬吊系统和数位相机等,是众多DSP技术应用的一小部份。自1993年后,DSP市场超过整体IC市场,未来ADSL/Cable Modem、数位电视、行动电话、多媒体影像和MP3等新一代通讯应用产品亦将使得DSP持续成长。


在1980年代,DSP供应商专注于特定应用DSP的开发,但到了1990年初,在设计高效能的产品的同时却忽略了耗电量的问题,因此到了1990年中,行动电话-DSP的Killer Application导致耗电量成为重要的议题,突然间,效能不再是重要的角色,「够用就好」。而未来高效能、超低耗电、混和讯号和低成本问题等皆挑战着DSP的技术。


根据资料显示,2000~2004年DSP营收年复合成长率(CAGR)达23.1%,预估2004年达163亿美元的规模;其中通讯领域约维持六成比重,2004年达9,300佰万美元,而新兴应用市场如消费性产品、汽车用和工业用相对成长幅度更为惊人,分别为38.4%,26.7%和29.1%的年复合成长率(图一)。而以下则依DSP在各类产品应用市场,做简单的介绍:


资讯产品:

目前在此领域中应用DSP最多的是个人电脑的储存设备,其中HDD使用DSP的技术最多,因此成为此类别产品中最大比重。而其他的光储存设备,如PC用的CD、DVD、CD-RW、DVD-RW等,对DSP技术的需求也有逐渐增加的趋势。



《图一 1999~2004年全球DSP市场规模 》
《图一 1999~2004年全球DSP市场规模 》数据源:Dataquest(2001/01)
《表二 DSP主要供货商 》
《表二 DSP主要供货商 》数据源:IC Insight,2001

通讯产品:

无线通讯中行动电话是DSP使用量最大的一项,不论是手机或基地台都必须要运用如对讯号调变、语音编码、频道等化等DSP技术,而未来2.5G和3G行动通讯,将使含大量图形、声音及影像的资料透过无线传输进行传递,因此也更需要高效能、低耗电的DSP元件。宽频网路加速网际网路传输的应用,因此各式数据机(V.90、Cable Modem、xDSL Modem等)对DSP的需求也愈来愈高,其中VoD、Video Conference、VoIP等即时影像与语音传输处理对DSP的需求更为迫切。


消费性产品:

处理与压缩复杂的声音、图片与影像资料的消费性电子产品与网际网路技术的结合,加速了消费性产品的市场,恰巧这些都使得DSP由通讯产品推向民生消费性娱乐产品的动力。主要的DSP技术应用产品包含无线电话、数位摄影机、Set-top Box、数位电视等,都将带动DSP技术与市场的成长。


其他:

工业中便以DSP技术来作马达控制,特别是如步进马达等精密的设备;而在车用产品中,DSP技术也广泛应用于引擎与传动系统、煞车与安全气囊的控制。此外,医疗器材也因为高速处理资讯与有效降低杂讯比的能力,以改善医疗设备的精确性,而逐渐增加对DSP的使用。


全球DSP的主要供应商

无庸置疑地,TI是目前DSP的全球霸主,TI为了专注于DSP的开发,将所属的DRAM、军用系统、工程软体、膝上型电脑等非DSP业务部门转出或出售。 2000年市场占有率达40﹪(表二),而占有率如此高的主要因素,是因为高达七成以上的DSP工程师使用TI的DSP软体,并且有900所大学以TI的DSP为教材。


《图二 TI的DSP/RISC架构 》
《图二 TI的DSP/RISC架构 》数据源:TI

《图三 StarCore Roadmap及应用产品 》
《图三 StarCore Roadmap及应用产品 》数据源:StarCore

除了TI之外,Agere(之前为L​​ucent公司的半导体事业部门)、ADI和Motorola也都占有相当大的占有​​率;以往各家公司都与TI单打独斗,分别在1999年和2000年,Agere与Motorola和ADI与Intel合作开发DSP技术,大家刚好应用上「联合次要的敌人打击主要的敌人的策略」。


开发下一代高效能DSP:

由于DSP具有即时处理语音影像编解码的功能,因此近来广泛使用在通讯产品上,特别是在第三代行动通讯上,大量的语音、影像处理,效能上的要求和低耗电的需求使得主要通讯半导体业者纷纷开发DSP Core技术;


TI

TI为了在第三代行动电话布局,推出了以低耗电量为设计重点的DSP/RISC整合方案(图二)--开放多媒体平台(OMAP;Open Multimedia Applications Platform)架构,包含TI的DSP核心、ARM 9、DMA及LCD Controller,并提供了软体供应商依据此一平台开发的软体。目前有Nokia、Ericsson、Sony和微软等国际大厂使用该平台,预料将又是一波数位行动通讯半导体霸主之争。


Agere & Motorola

为了持续在第三代行动通讯保有竞争优势,Motorola与Agere(由Lucent微电子部门独立出来)双方联盟,以合作开发高效能、价格优势与低耗电的DSP Core(称StarCore),其中SC110以资讯家电应用和低阶手机应用为主(图三),SC140则以第三代行动通讯与宽频网路应用为主;另外,目前Motorola也正以SC140 Core发展MSC8100基频晶片。


《图四 Intel提出以MSA的行动通讯架构 》
《图四 Intel提出以MSA的行动通讯架构 》数据源:Intel

ADI & Intel

ADI与Intel合作开发名为MSA(Micro Signal Architecture)的DSP核心技术于2000年12月发表,应用在高效能、动态电源管理、加入多媒体指令集及以C/C++程式语言开发应用程式。手机界的新手Intel将会运用此MSA搭配XScale进入第三代行动通讯市场(图四)。


国内机会:

国内似乎也嗅到DSP的应用需求,最近在DSP的开发上有智原、创意等公司。目前国内投入在DSP的应用多为玩具中语音功能的产品、监视器、答录机、无线电话、GPS等产品上。国内想在国际大厂中求得生存势必找出利基产品以为区隔,直接面对行动通讯产品的市场恐将面临一场苦战,但是随着手机大厂来台下单的趋势,这也是一种群聚效应产生的利基。况且单纯的DSP已不易见到,与RISC微处理器整合扩大应用范畴,将产品延伸到消费性产品上也是另一机会。


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