德州儀器首席科學家談DSP 30年簡史

　　今年，是TI DSP走過的第30個年頭，這30年是DSP歷史的30年，也是德州儀器的30年。值此30周年之際，TI首席科學家Gene Frantz(方進)在IEEE撰文，詳細敘述了TI DSP的發展歷程與其本人與DSP的不解之緣，這也是DSP技術不斷創新的動力源泉：

　　DSP的理論首次被提出(或者說是被重新提出，這取決于你如何接受)是在20世紀六十年代中期，當時我還在讀高中。到了七十年代初，我聽說數字信號處理可以在通信方面起到一些神奇的作用。后來我在德州儀器的計算器部門工作，同時攻讀我的碩士學位，也正是那時，我在一本名叫《Digital Signal Processing》的教科書中接觸到了數字信號處理的理論，那是1977年。

　　這本書是叫Oppenheim和Schafer的兩個人寫的。我在此要對那些為DSP理論奠定基礎和為數字信號處理取得革命性勝利做出貢獻的偉大的教授、科學家和以及工程師們表達最深切的敬意。

　　玩具“Speak& Spell”

　　在20世紀70年代，數字信號處理還僅僅是一項受限于計算機的實時操作實現能力和掌握熟練DSP技能的工程師的技術。而我是負責Speak &Spell這個產品的團隊中的一員。這款產品是首次搭載DSP技術的兒童玩具，通過合成語音來進行啟蒙教育。

　　這個團隊創立之初只有四個人。Paul和我負責產品研發這一塊。我們還拉入一個IC架構師Larry Brantingham，和一個語音系統專家Richard Wiggins。能趕上那個時機對我們來說真的很幸運。記得那是1976年的秋天。圖1是我們拿著一個Speak& Spell產品的照片，那是Speak& Spell在1978年誕生后拍攝的。

　　圖1 拍攝于1978年夏天，正值Speak & Spell最初開發的階段，從左至右：Gene Frantz, Richard Wiggins, the Speak & Spell, Paul Breedlove and Larry Brantingham

　　在為這款產品的可行性研究確立了內部資金之后，我們四個開始了這項工程的可行性研究。1976年的12月，我們用一臺內嵌陣列處理機的TI-980電腦來進行演示。我們設計了芯片組并且在1978年成功推出了原型機。在6月份芝加哥舉辦的CES(美國消費電子展)展會上，我們為這款產品進行了宣傳。8月份，Speak& Spell就開始投產了。首次出貨進入市場是在9月份。1982年，Speak& Spell出現在了斯蒂芬?斯皮爾伯格的大片ET中，從而成為了流行文化的巔峰之作。

　　當時，我感覺我們是走在DSP技術革命的最前沿，我們也意識到了半導體技術可以廣泛地商業化，而關鍵要做的就是培養足夠多的DSP工程師，同時要讓客戶能夠跨越這個新舊技術交替的鴻溝，讓他們肯去冒這個風險，而且我們要打造出一個簡單易用的平臺。正如我所看到的，數字信號處理技術擁有無限的潛力，它將在手機、成像、醫療電子、安防等領域掀起一場數字革命。

　　從系統到組件

　　有了做Speak& Spell的經驗之后，我加入到了TI新成立的DSP團隊，我們通過這個團隊，把這項革新的技術推廣給大眾。我們從拜訪那些數字信號處理領域的權威教授開始，為他們提供TI當時的主流可編程DSP設備的硬件和軟件，讓他們來進行研究和實施，從而加速這種技術在市場上的擴散。但是這些還不夠，TI需要加速那些DSP人才的培養，所以我們贊助了教科書、實驗室，捐贈了設備，還游說了全球各地的教授來推動大學中的DSP教育，無論是博士還是學士，都有機會接觸到DSP的課程。我還看到了客戶對于這項技術的實習培訓和應用說明的需求。我們的第一款產品是TMS32010，性能達到了5MIPS，并擁有55000個晶體管。1982年2月4日我們在ISSCC上發布了這款產品，一年以后進入市場。圖2是TMS32010的裸片圖。

　　圖2 TMS32010的裸片圖，擁有3-nm NMOS的設計技術以及大約 50,000 邏輯門電路庫.

　　在客戶方面，我們為他們呈現了數字信號處理技術的眾多優勢。我們知道要說服他們就要展示出產品的易用性和優越性能。我的激情就在于為這項新技術不斷開辟新的應用和使用者。早期DSP的應用僅限于一些通信、高速調制解調器和軍事領域。我們也嘗試著去尋找一些可以嵌入DSP技術的客戶產品。但是一個靈感讓我們又重新回到了玩具市場。我們與一家名叫Worlds of Wonder的小公司合作推出了一款能夠聽說的玩具Julie。

　　Gene’s Law

　　我開始思考，我們如果想要改變世界，那么產品必須變得更加便攜。這驅使我把功耗當做IC設計的重要部分。低功耗技術的革新是便攜領域從模擬轉向數字的本質要求。于是我又從頭到尾研究了一遍數字信號處理，尋找降低功耗的方法。后來我選擇了數字信號處理的一項基本功能---- MAC功能。令我感到意外的是，數字信號處理器件的功率損耗(以Mw/MMACs計)平均每18個月會減掉一半。于是，我拿著一張對比圖表來敦促我們的設計團隊，讓他們將功耗作為一個優先課題。我創造了一個“Gene’s Law”定律，意思是，為了迎合客戶的需求，我們平均每兩年就要把功耗降低一半，TI也一直很果敢地擔當著這個重任。TMS320C54x產品誕生后，我們實現了讓手機通話時間持續幾個小時，待機時間持續數天。圖3展示了自1982年創建以來的Gene’s Law。

　　圖3 Gene’s Law描述了DSP發展過程中，每單位信號處理的功耗損失率

　　1992年，世界上首個GSM網絡開始部署，并且承諾將要實現低成本、無處不在和便攜通訊。十年后，全球手機用戶量達到了10億部，而到了今天，這個數字變成了50多億。從最初只支持語音通話的簡單移動電話，變成了如今一個支持語音與數據的多媒體平臺。要在同樣的功耗下將手機和基站的性能提升10倍，這對于TI來說又是一個巨大的挑戰。隨著用戶界面和應用程序越來越重要，TI為手機研發了第一套多媒體處理器，運用OMAP應用平臺。它其中包含卓越的通用處理器、圖形和數字信號處理等功能，應用于高質量相機、高清視頻和音樂。

　　從產品到使能器的轉變

　　也許有人會覺得DSP作為一個產品，從一文不值到創造每年數十億美元的價值之后又銷聲匿跡很奇怪。但是這確實是一個好消息的開始。它并沒有銷聲匿跡，只是融入到了每一部數字處理系統中而已。為什么這么說呢，因為我們在IC技術中所做的努力已經允許在硅芯片中嵌入DSP。曾經的DSP是非常大的，而如今卻小到幾乎看不見。首個可編程DSP TMS32010將其裸片的四分之一用于乘法器，而現在的乘法器如此的小就像曾經用過的接合墊。DSP的核心理論現在也可以在嵌入式處理器世界中獲得更大的發揮價值。

　　從另一個角度看來，我們也在針對特定市場的需求為我們的信號處理器進行著優化。與其說我們打造了一條DSP產品線，不如說我們打造了一條通信信號處理器、音頻信號處理器、視頻信號處理器、圖像信號處理器和馬達控制處理器的產品線，所有這些都能采用DSP的理論和硬件。很顯然，下一步是很關鍵的，就是我們要將DSP集成在各種系統處理器(像ARM)、各種加速器和外設中，通過集成化這些元素，我們就創造出了完整的嵌入式處理器的系統解決方案。所以信號處理的歷史，從發現DSP理論到目前為止，可以總結為信號處理理論到信號處理器產品的轉變，甚至是到嵌入式處理器系統的使能器的轉變。

　　而DSP的第三個發展方向是創造了多線程處理架構。隨著具有特定應用的系統漸漸興起，從可編程的處理器轉向可配置處理器，再到單功能處理器，這些都是合理的。因為實際信號的平行性，這種轉移到固定功能單元是普遍的。在RISC處理器與多種可配置IP模塊組合后的控制下，一個嶄新的嵌入式處理系統出現了。這與一臺設備中有多個完全相同的處理器概念是不同的，這個信號處理的世界是雖然符合阿姆達爾定律(阿姆達爾定律的主要觀點是隨著系統中處理器的不斷增加，系統的速度將會趨于穩定)的世界，但這個世界又是一個特例，因為該系統可以被拆成數個小的專用并行處理單元。而這些單功能的加速器具有更高的性能、更低的功耗和更低的成本，使得系統更加的穩定易用。

　　這三項重大的研發成果把我們帶到了今天，這是一個多么令人興奮的時代，系統設計師們仍然在尋找著超乎我們想象的機遇。在客戶方面看來：技術允許DSP成為高度優化的解決方案的一部分，滿足了他們差異化的需求，與那個微處理器的只有一種通用型號的時代形成了鮮明對比。有了高度優化的SoC，我們可以提供更高的性能、更低的功耗和更低的成本。

　　展望未來

　　所以，我們下一步將要怎樣走呢?別急，有意思的事才剛剛開始。我們現在有多重選擇：最低功耗器件;低功耗、電池供電的器件;和極高性能的并行處理系統。我們可以將嵌入式處理系統同異質處理器(heterogeneous processors)、加速器和周邊外設結合起來處理舊的信號和新的信號。處理信號的需求在不斷增長。我的一個麻省理工學院的朋友說：“永遠都會有新的吸引人的信號出現，永遠都會有處理信號的需求。”目前的IC技術讓我們在處理信號上面變得更容易，成本更低，功耗更小，而且器件的尺寸也更加迷你。

　　通過提升處理器的性能，我們還可以探索一些我們過去沒有考慮到的新信號。例如，即將引入的3D圖像和視頻分析。的確，這些概念已經存在很多年了，但是我們現在才有足夠的處理性能來精確地做一些得心應手的處理。

　　在這幅宏圖的另一端是極低功耗。有了這樣的技術，我們可以發掘一些新的概念，如“能量清道夫(energy scavenger)”和“永久設備(perpetual device)”等。這些完全是新的機遇，我們對其還一無所知，我們要對它們進行探索。而云計算的概念為我們探索這些領域打開了一扇窗----我將其叫做“clutter around the cloud”，我們將會發掘出上千種可以和“云”扯上關系的東西，像包括智能傳感器和超薄客戶端等等。最后一個令人興奮的事情是，在集成電路技術的這一點上，我們可以考慮結合數字和模擬概念來更好地處理信號。

　　這是一個令人興奮的技術新紀元。我親身經歷了從DSP誕生，幫助其成長，到眼見其成熟。我也見證了從當初的一個器件到如今的每個器件中都有DSP的技術，通過以下這些努力：

　　1) 通過TI的DSP技術，我們很快將會看到，現在那些很笨重很昂貴的醫療設備通過TI DSP技術將會變得小到可以拿在內科醫生和急診醫生的手中。

　　2) 便攜超聲儀器將很快應用于阿富汗和伊拉克的野戰醫院中，它們也將改變印度和中國的醫療保健現狀。

　　3) 通過使用TI的DSP技術，空調等家用電器進行了調速電動機控制以后，效能正在發生戲劇性的改進。

　　4) 安全攝像頭正在脫離模擬的時代，轉向基于IP的數字技術，可以通過更加精細地分析迅速的報警。

　　5) 電動車正在被基于安全的系統“照看”著，隨時提醒司機潛在的危險。

　　6) 太陽能和風能等替代能源利用TI的DSP技術將直流電轉化為交流電，從而可以安全地接入電網。

　　這些都是真正激動人心的偉大時刻。TI的DSP技術正在讓人們的生活更健康、安全、環保、智能，也更有樂趣。而且，就DSP技術為世界帶來的改變來看，我們現在還僅僅是享受到皮毛而已。

　　尾聲

　　我整個的職業生涯都在為DSP技術尋找新的應用以及新的使用者。我是TI的一位研發人員，我的職位給了我追求我的激情的廣闊空間和強大的后盾。

　　但是尋找新的應用和新的使用者并不是聽起來那么簡單。全球的創新因素并不是有組織的，所以我花了很大一部分時間周游世界各地，尋找那些想要改變世界的思想者。他們大多數會出現在大學和一些初創型公司中。這些年我一直都說創新與公司的規模成反比。但令我驚奇的是，TI雖然是所謂的“大公司”，但卻一直保持著創新。我只能說TI是與眾不同的，它的技術人員把自己想象為在初創公司中，直到他們需要大公司的支持力量時。這就是TI與眾不同的企業文化。

　　在那些大學里，我做了很多關于創新和技術將會怎樣改變生活的演講。我真正的收獲是那些演講之后找我談話的人，他們也是真正的創新者。我還要注意區分大眾想法和有價值的想法，而那些有價值的想法正是我所尋找的。和一個創新者談話，我的目標是鼓勵他和向他展示TI怎樣幫助個人成功。在TI，我們不斷尋找和獎勵新的靈感，這也是我繼續尋找新的機會和技術的方法。我目前感興趣的領域是機器人學、可再生能源和提高生活品質的技術。但是我一如既往地對更多領域感興趣，只要它們能用到DSP技術，我將會隨時洗耳恭聽。