时间: 2024-07-28 15:06:46 | 作者: 驱动器
数字信号处理器（DSP）是一类专门用于实现数字信号处理算法的器件，其与CPU、GPU、FPGA并称为“四大通用”；依托丰富的数字信号处理指令、独立高效的存储及总线结构、更完备的外设资源以及低功耗特性，DSP可快速完成信号采集、复杂计算处理、控制矢量输出及通信数据交互，非常适合于实时控制应用场合。当前我国正在持续推动产业高水平质量的发展，加快建设汽车强国。新能源汽车产业上半场的主题为电动化，下半场的主题为智能化，作为实时控制器的DSP，均可在基础器件层面提供重要支撑。打造持续稳定的新能源汽车产业链与供应链，发展DSP芯片意义重大，未来市场发展的潜力广阔。
在汽车电动化、智能化发展的大趋势下，一辆汽车安装使用的芯片数量迅速增加。根据中国汽车工业协会提供的多个方面数据显示，传统燃油车所需汽车芯片数量为600～700颗，电动车提升至1600颗/辆，更高级的智能汽有望提升至3000颗/辆。而DSP正是其中最主要的芯片类型之一。
从分布式向集中式演进，汽车的电子电器架构日益被分成分为五大功能域——动力域、底盘域、车身域、座舱域和无人驾驶域，各自实现基本功能。在动力域，DSP能轻松实现对主电机、直流电压转换DC-DC、车载充电机OBC的控制等。凭借数据和程序相互独立的总线结构、独特指令集和丰富数模外设资源，DSP在同等主频下能大幅度的提高算力，实现复杂的控制规律，保证实时性能。
车身域也是汽车电子系统重要的组成部分，包含汽车门窗、灯光、雨刮、电动座椅、空调控制等与车内驾乘体验息息相关的应用，散热风扇控制、油泵/水泵控制等混动汽车安全控制相关的电机应用，均有必要进行实时的采集外部信号、实现复杂电机计算和相应控制，DSP芯片也很适合使用在这些场景当中。
较之燃油车，随着动力形式改变，新能源汽车的诸多系统也随之发生明显的变化，如动力控制、基础供电、热管理、（增加）充电管理等，使其对电机的使用数量远超于燃油车。随只能电动汽车产业链日趋成熟，燃油车被替代的速度加快，DSP作为兼具精准和实时的控制器，在新能源汽车中的应用将得到进一步增强。
此外，DSP等控制芯片在充电桩中的应用也不容忽视，一款高端的充电桩，需集成多颗DSP、MCU等控制器，才能有效实现对功率器件等的数字控制。充电基础设施建设正在加快，截止2022年12月全国已累计建成充电桩521.0万台。以常见功率120kW左右的直流充电桩为例，含功率器件及控制芯片的充电模块占比最高达50%。
由于应用场景的增长及单位设备中采用数量的增多，DSP的整体市场规模不断攀升。统计多个方面数据显示，截至2022年全球DSP市场规模约达129.06亿美元。从DSP芯片下游应用结构来看，通信、仪器仪表、消费电子、自动控制、航空航天、汽车等均是DSP的应用领域。尤其是在汽车，在电动化、智能化的加持下，电机控制的需求不断增多。DSP独特之处在于可以即时处理数据，使其在这一领域拥有先天的优势。汽车特别是新能源汽车慢慢的变成了DSP最新也是最重要的应用市场之一。
一般而言，MCU（MPU）、FPGA与DSP是人们经常谈及的车规级控制类芯片，常用于发动机/底盘/车身控制等。MCU主要完成管理相关的任务，可根据外界信号，产生响应，进行一些简单的人机交互。对这种需求，通常不需要芯片有太高的主频，如早期的8051系列MCU主频约为10M～20MHz。随着ARM的32位MCU的出现，应用场景范围才逐步扩大，但仍以百兆赫兹级别为主。
FPGA的硬件结构能够最终靠编程修改，这使FPGA在设计和仿真上拥有极大的优势。通过对FPGA编程，能轻松实现特定的处理器功能。但是，FPGA片内有大量逻辑门和解发器，规模大、集成度高、可重复编辑，更适用于系统高速取样、高数据率的场景。
DSP的优点是运算及控制，具有强大的数据处理能力和较高的工作速度。部分DSP产品对于控制算法非常擅长，对于处理复杂多算法任务，比如在车载电机控制、电机伺服驱动等方面，正是DSP的好球区。因此，随着新能源汽车市场的发展，DSP已经快速进入汽车电控单元，成为当前主要发展的车规芯片之一。
值得一提的是，DSP芯片虽然与MCU和FPGA有明显的区别，但目前他们之间的关系既有竞争也有融合。如DSP核与ARM核融合，德州仪器的一些面向车载的高端产品，在DSP周边配置更多MCU作为外设，使其控制能力极大的提升。在既强调结构灵活、通用性强和处理复杂算法的需求下，部分厂商也会将DSP和FPGA联合，采用DSP+FPGA的架构，或者将DSP模块迁入到FPGA中，也是一种设计思路。
全球第一块单片DSPTMS32010及其系列新产品在1982年诞生。此后，德州仪器、ADI、摩托罗拉等公司不断推出不同档次的DSP产品并逐步占领全球市场。目前世界上DSP芯片制造商最重要的包含德州仪器、ADI和摩托罗拉、恩智浦、杰尔系统等，其中德州仪器的产品线最为丰富，应用领域最为广泛。
德州仪器生产的C2000系列是目前应用较为广泛的产品之一。它的优点是集成浮点运算内核，既具有DSP的较大解决能力，又具有MCU的集成优势，使C2000很适合做实时控制运算。传统上，C2000被应用于数字电源和电机控制。随着新能源汽车中电机控制的需求慢慢的变多，如电动助力转向、防撞等，新能源汽车中的车载充电器 (OBC) 和直流/直流电源、和汽车牵引电机也成为C2000的用武之地。
汽车市场的高成长性吸引了各大实力厂商，均希望可以快速抢占汽车等新兴领域进行布局。由于国际大厂具有先发优势，已对下游客户稳定供货多年。特别是车企对供应链的安全与稳定性极为重视，不会轻易更换供应商，国产DSP打入供应链并不容易。
不过，受2020年爆发的缺芯潮以及地理政治学因素影响，车企已经逐渐开始接纳国内芯片企业的产品，甚至直接投资进行研发。同时，国内芯片制造厂也有意愿进行车规工艺的投入。这些都为国内车载DSP的发展奠定了基础。如进芯电子开发的32位浮点DSP芯片AVP32F335系列、32位定点DSP芯片ADP32F035系列、16位定点DSP芯片ADP/ADM16F03系列等，符合IATF16949、AEC-Q100 标准，获得OEM厂商认可，已实现商用量产。对于国内DSP企业来说，应该抓住这个难得的机会窗口，促进上下游间的合作，多方协同推进产业发展。
随着电动化、智能化的发展，DSP在车用领域必将展现出一些新的技术趋势。首先就是更高的集成度。车企不断追求更高的驾驶体验，对于动力域主控来说，需要更高的算力，持续的性能提升。因此，将多个DSP芯核以及外围的电路单元集成在一颗芯片上，实现DSP系统级的SoC成为趋势。
异构也是趋势之一。从国际DSP大厂的产品结构来看，DSP的应用场景越来越丰富，巨头们已形成了更集成、更多核以及更多新架构的产品，同时出现了DSP与ARM、DSP与FPGA的架构设计。
在汽车的应用当中，低功耗的需求也不容忽视。由于系统运算量大且速度要求高，因此DSP内部的部件开关状态转换十分频繁，这使得DSP的功耗在应用系统的功耗中占有相当的比例。总体而言，未来的DSP需要满足各种嵌入式系统集成化、智能化、低功耗的发展的新趋势，将朝着数据处理能力越来越强、集成度慢慢的升高、功耗越来越低等方向发展。
这些新的技术趋势演进过程，为我国DSP产业的发展提供了机遇。近年来，国产DSP虽然在数据处理能力的提升，数字模拟混合电路设计以及系统低功耗设计等方面遇到一些挑战。但我国拥有巨大的下游应用市场，新能源汽车产销已经居于世界首位。这就给国内DSP企业反复琢磨，更新技术提供了空间。国内DSP企业更容易针对国内用户的痛点来优化设计，使用户得到满足需求。比如在安全性方面，采用国产核心芯片就可以针对安全问题进行强化处理。
由于国产DSP更加贴近汽车客户，可提供更及时、全方位响应支持，这是国际大厂所不具备的。对中国电动汽车供应链的支持，需求早期的支持、信息交换也是国际大厂不能够比拟的。国际大厂更多是倾向于交付成品。
对于国产DSP来说，新兴的汽车应用市场是实现高端突破的一个最佳切入点，不仅应用需求量大，对于实现自主可控的迫切性也很高。一旦在关键行业实现突破，就会形成产业带动效应，加速国产DSP向更多市场领域推广。