DSP的應用

根據In-Stat的估計，數位訊號處理器(DSP)市場將以34.2%的年複合成長率，從1999年44億美金的規模，成長至2004年的190億。而目前DSP產品已廣泛應用於通訊、電腦及數位資料運算、消費性產品、影音傳輸、工業性產品等方面，且以通訊類產品為最大宗，但DSP在消費性產品中的應用，如MP3、Smart Cards、DVD Player、數位相機等，將是未來成長最快的領域。

到2004年，All World wide Volume Shipments超過或接近一億個單位的應用包括：通訊領域的數位無線設備、Wireless Pagers、PC數據機；Computer & EDP領域的硬式磁碟機、Combined DVD & CD-RW、辦公室設備；傳輸領域的Audio、Control & Instrumentation、安全氣囊、煞車器、防震系統；消費產品領域的Smart Cards、Video Game周邊產品、Digital Camcoders、Phones(Cordless)、Appliances & Personal Care；以及工業用途的Motor Controls。

DSP的特性

一般而言，DSP與微處理器的功能都是用於「運算」與「控制」，其中DSP的特色在於強大的運算能力，特別是數位訊號處理的運算，因此DSP在指令集與架構上，有下列幾點與一般微處理器不同的特點：

(1)高速乘法－累加器(Multiply-accumulator，簡稱MAC)；

(2)多重內部計憶體存取匯流排(Multiple Internal Memory Access Bus)；

(3)特殊定址(Specialized Addressing)；

(4)內建週邊介面(Build-in Peripheral Interface)；

隨著演算法(Algorithm)日益複雜，客戶對於品質與抗錯性(Robust)的要求越來越高，DSP要有足夠的運算能力才能完整且即時(Real-time)的完成運算法。舉例而言，MP3 Decoder的運算量約需24 MIPS的運算能力，但若是要求較高的音樂品質、使用較高階的濾波器，或者是用軟體的方式增加有效的精準度(Accuracy)，此時要以較高速的DSP才能完成。

將來若要支援更複雜的標準，如Dolby的ACC及Microsoft的WMA時，DSP運算能力的要求會更高。又如某些DSP軟體開發者，為了節省處理運算精準度的麻煩，採用成本較高的浮點運算(Floating Point)DSP。若是以單價較低的高速定點運算(Fixed Point)DSP來處理，以其運算能力以事先處理進位問題，即可大幅降低整體成本。

然而想增加DSP Core在速度上的表現，不能一廂情願的認為增加Gate Count就能解決問題；尤其是DSP Core中佔最多的記憶體(Memory)，若是以雙埠(Dual Port)的SRAM取代單埠(Single Port)的SRAM，效能將大幅提升，但成本的增加也十分驚人。為提高成本效益比，架構工程師(Architect Engineer)扮演十分重要的角色。

目前已有許多加快DSP運算速度且兼顧成本效益的方法，在考慮程式碼相容(Code Backward Compatible)的前提之下，一般則會採用「管線式設計」(Pipelined Design)及「重新安排記憶體匯流排」(Reorganized Memory Bus)的方法。

Embedded DSP的挑戰

目前市面上已可購得國際大廠所推出的全系列DSP標準品，為何Embedded DSP的整合晶片仍是日趨熱門的潮流呢？除了系統廠商希望以ASIC達到產品差異化的目的之外，可攜式產品及許多通訊設備對於省電、成本與體積的特殊需求，亦使Embedded DSP的系統單晶片大受歡迎。然而，要完成Embedded DSP的IC設計，仍需培養及具備以下能力：

◆完整的IP開發能力及獲得授權的能力

在一個內含微處理器的系統單晶片(SOC)中，DSP Core固然是理所當然的主角，扮演配角的其他功能組塊(Functional Block)，例如Memory或PLL(Phase-Locked Loop)等亦十分重要，任何一個環節較弱，整體的效能便大打折扣。但是DSP、Memory、PLL的設計需要的Know-how並不相同，許多小型的IC設計公司或系統公司，無法在一定的時限內開發出具有競爭力的其他IP，此時便需要專業ASIC設計服務公司的協助，以取得Third Party的IP授權，並將這些IP順利整合到Embedded DSP的晶片中。

◆強大的Embedded系統軟體開發平台

將DSP及其他IP整合成系統單晶片之後，研發人員在驗證產品時必然會碰到的一個問題是：「如果我的Firmware出了問題，如何找出問題在哪裡？」早期許多研發經理很單純的認為：「既然已經用單顆的DSP及FPGA驗證過它的Function，整合起來怎麼會有問題呢？」

其實問題遠比想像中複雜。因為DSP被嵌入之後，DSP macro已經沒有足夠的Pin腳，可以拉Debug Pin出來監測DSP硬體內部Memory、Register及設定軟體執行等斷點；此時Firmware出了問題時，很難確認問題所在。一個完整的DSP IP需要包括Debugging Port可供系統驗證，以及對應的Debugger軟體供監控DSP的狀態。

一個Embedded DSP的系統單晶片在內部工程測試，或是交由客戶調整時，都需要監視DSP目前執行程式的狀況。此時只要透過該DSP內建的ICE Port，透過ICE轉接器，經由Debugger軟體監控嵌入之DSP。如果DSP IP Provider沒有提供這些Debugger的軟體與工具，軟體的開發會變得極為曠日費時。

◆IC整合經驗及Know-how

所謂SoC(系統單晶片)，即是在單一的die中放入數百萬電晶體。在這樣大規模的IC設計中，要有足夠的IC後段整合能力及設計經驗，才能有足夠的信心可以估算正確的時序(Timing)，如Layout Partition、Clock Tree Place、Wire Loading Estimation、Post Simulation等，都比以往十幾萬電晶體的設計複雜許多。如果事先沒有估算好，有時便要犧牲一些設計上的特性，例如把同步(Synchronized)設計改成非同步(Asynchronized)設計等。

要解決這種問題，多半是要靠IC設計工程師的經驗了。如果是技術層次較高的ASIC整合公司，如國內的智原科技等廠商，除了自行開發Cell Library之外，還有許多根據幫客戶整合IC的經驗所自行開發的工具(Tool)，都能準確估計到百萬級邏輯閘IC的寄生效應(Parasitic Effect)，在整合超大型IC時，信心度便可大為提高。

未來DSP產品的市場趨勢

藉由增加DSP的處理功能，可攜式產品系統設計者已能完成過去需要微處理器才能處理的功能，這使得系統產品消耗的功率、成本，及電路板所佔的空間得以進一步降低。儘管某些不可程式化的方式可以提供較省電的方案，但許多廠商仍傾向於使用可程式化的DSP，其主要原因是，手機及其他通訊裝置的標準仍在制定及發展中，可程式化的DSP可讓設計者能夠建立符合目前標準的系統產品、加速上市時間，而後僅需上載改變標準所需要的新軟體即可升級或擴充功能；DSP也容許設計者在建立核心設計後，再根據原有設計來擴充或縮減，以提供不同款式的產品，達到產品差異化的目的。

在通訊產品方面，DSP在手機中的應用已是大家耳熟能詳的；然而如果無線通訊產品在中頻調變與解調變也能用DSP來做的話，可以有更多的功能變化。例如以DSP做GPS Receiver的中頻，如果此時DSP的運算能力夠強，也可以拿來做Bluetooth的中頻使用，以軟體即可達成Bluetooth的功能，完全不需要硬體成本！

除此之外，一般常見的MP3 Player通常只能解MP3而已，如果能再以Embedded DSP提供更多樣化的軟體，如AC3、WMA，產品就能有更多的功能差異化，不會淪入慘烈的價格戰。甚至已有廠商嘗試在MP3 Player中加入語音辨識軟體，做成聲控MP3，或利用DSP強大的運算功能，加入聲紋辨識功能的軟體，做成小型測謊機、算命機、分析心情的有趣玩具等。由此可見，Embedded DSP的應用非常廣泛，充滿想像空間。

結 語

DSP已由二、三十年前的軍事應用，快速走入消費性產品及通訊產品中。隨著客戶對產品Feature及產品差異化的要求越來越高，高速DSP的需求也迅速成長。在SoC時代，IC設計業的分工日趨細密，要完成一個高效能的Embedded DSP SoC產品，除了市場規畫人員對產品的定義之外，還需有專業的DSP架構工程師、硬體工程師及軟體開發人員等。在此同時，開發一個高速、低成本且易於嵌入、整合的DSP Core，尚需能配合完備與踏實的ASIC Design Flow才能完成。

以國內而言，智原科技在今年四月份首度舉辦的Draco DSP IP產品發表會，吸引了來自四十多家國內IC設計公司及系統廠商、上百位研發主管與工程師參與，其熱烈的程度，足可顯見DSP IP在國內受歡迎的程度。相信在國內業者陸續推出自行研發的高速、低耗電DSP IP，並搭配優秀的ASIC整合工程師及Design Flow，國內DSP IC產業必能快速發展。