德州儀器首席科學(xué)家談DSP 30年簡(jiǎn)史

　　今年，是TI DSP走過(guò)的第30個(gè)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(xué)家Gene Frantz(方進(jìn))在IEEE撰文，詳細(xì)敘述了TI DSP的發(fā)展歷程與其本人與DSP的不解之緣，這也是DSP技術(shù)不斷創(chuàng)新的動(dòng)力源泉：

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

　　這本書是叫Oppenheim和Schafer的兩個(gè)人寫的。我在此要對(duì)那些為DSP理論奠定基礎(chǔ)和為數(shù)字信號(hào)處理取得革命性勝利做出貢獻(xiàn)的偉大的教授、科學(xué)家和以及工程師們表達(dá)最深切的敬意。

　　玩具“Speak& Spell”

　　在20世紀(jì)70年代，數(shù)字信號(hào)處理還僅僅是一項(xiàng)受限于計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)操作實(shí)現(xiàn)能力和掌握熟練DSP技能的工程師的技術(shù)。而我是負(fù)責(zé)Speak &Spell這個(gè)產(chǎn)品的團(tuán)隊(duì)中的一員。這款產(chǎn)品是首次搭載DSP技術(shù)的兒童玩具，通過(guò)合成語(yǔ)音來(lái)進(jìn)行啟蒙教育。

　　這個(gè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立之初只有四個(gè)人。Paul和我負(fù)責(zé)產(chǎn)品研發(fā)這一塊。我們還拉入一個(gè)IC架構(gòu)師Larry Brantingham，和一個(gè)語(yǔ)音系統(tǒng)專家Richard Wiggins。能趕上那個(gè)時(shí)機(jī)對(duì)我們來(lái)說(shuō)真的很幸運(yùn)。記得那是1976年的秋天。圖1是我們拿著一個(gè)Speak& Spell產(chǎn)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(kāi)發(fā)的階段，從左至右：Gene Frantz, Richard Wiggins, the Speak & Spell, Paul Breedlove and Larry Brantingham

　　在為這款產(chǎn)品的可行性研究確立了內(nèi)部資金之后，我們四個(gè)開(kāi)始了這項(xiàng)工程的可行性研究。1976年的12月，我們用一臺(tái)內(nèi)嵌陣列處理機(jī)的TI-980電腦來(lái)進(jìn)行演示。我們?cè)O(shè)計(jì)了芯片組并且在1978年成功推出了原型機(jī)。在6月份芝加哥舉辦的CES(美國(guó)消費(fèi)電子展)展會(huì)上，我們?yōu)檫@款產(chǎn)品進(jìn)行了宣傳。8月份，Speak& Spell就開(kāi)始投產(chǎn)了。首次出貨進(jìn)入市場(chǎng)是在9月份。1982年，Speak& Spell出現(xiàn)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(dāng)時(shí)，我感覺(jué)我們是走在DSP技術(shù)革命的最前沿，我們也意識(shí)到了半導(dǎo)體技術(shù)可以廣泛地商業(yè)化，而關(guān)鍵要做的就是培養(yǎng)足夠多的DSP工程師，同時(shí)要讓客戶能夠跨越這個(gè)新舊技術(shù)交替的鴻溝，讓他們肯去冒這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，而且我們要打造出一個(gè)簡(jiǎn)單易用的平臺(tái)。正如我所看到的，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)擁有無(wú)限的潛力，它將在手機(jī)、成像、醫(yī)療電子、安防等領(lǐng)域掀起一場(chǎng)數(shù)字革命。

　　從系統(tǒng)到組件

　　有了做Speak& Spell的經(jīng)驗(yàn)之后，我加入到了TI新成立的DSP團(tuán)隊(duì)，我們通過(guò)這個(gè)團(tuán)隊(duì)，把這項(xiàng)革新的技術(shù)推廣給大眾。我們從拜訪那些數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的權(quán)威教授開(kāi)始，為他們提供TI當(dāng)時(shí)的主流可編程DSP設(shè)備的硬件和軟件，讓他們來(lái)進(jìn)行研究和實(shí)施，從而加速這種技術(shù)在市場(chǎng)上的擴(kuò)散。但是這些還不夠，TI需要加速那些DSP人才的培養(yǎng)，所以我們贊助了教科書、實(shí)驗(yàn)室，捐贈(zèng)了設(shè)備，還游說(shuō)了全球各地的教授來(lái)推動(dòng)大學(xué)中的DSP教育，無(wú)論是博士還是學(xué)士，都有機(jī)會(huì)接觸到DSP的課程。我還看到了客戶對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)習(xí)培訓(xùn)和應(yīng)用說(shuō)明的需求。我們的第一款產(chǎn)品是TMS32010，性能達(dá)到了5MIPS，并擁有55000個(gè)晶體管。1982年2月4日我們?cè)贗SSCC上發(fā)布了這款產(chǎn)品，一年以后進(jìn)入市場(chǎng)。圖2是TMS32010的裸片圖。

　　圖2 TMS32010的裸片圖，擁有3-nm NMOS的設(shè)計(jì)技術(shù)以及大約 50,000 邏輯門電路庫(kù).

　　在客戶方面，我們?yōu)樗麄兂尸F(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的眾多優(yōu)勢(shì)。我們知道要說(shuō)服他們就要展示出產(chǎn)品的易用性和優(yōu)越性能。我的激情就在于為這項(xiàng)新技術(shù)不斷開(kāi)辟新的應(yīng)用和使用者。早期DSP的應(yīng)用僅限于一些通信、高速調(diào)制解調(diào)器和軍事領(lǐng)域。我們也嘗試著去尋找一些可以嵌入DSP技術(shù)的客戶產(chǎn)品。但是一個(gè)靈感讓我們又重新回到了玩具市場(chǎng)。我們與一家名叫Worlds of Wonder的小公司合作推出了一款能夠聽(tīng)說(shuō)的玩具Julie。

　　Gene’s Law

　　我開(kāi)始思考，我們?nèi)绻胍淖兪澜?，那么產(chǎn)品必須變得更加便攜。這驅(qū)使我把功耗當(dāng)做IC設(shè)計(jì)的重要部分。低功耗技術(shù)的革新是便攜領(lǐng)域從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字的本質(zhì)要求。于是我又從頭到尾研究了一遍數(shù)字信號(hào)處理，尋找降低功耗的方法。后來(lái)我選擇了數(shù)字信號(hào)處理的一項(xiàng)基本功能---- MAC功能。令我感到意外的是，數(shù)字信號(hào)處理器件的功率損耗(以Mw/MMACs計(jì))平均每18個(gè)月會(huì)減掉一半。于是，我拿著一張對(duì)比圖表來(lái)敦促我們的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，讓他們將功耗作為一個(gè)優(yōu)先課題。我創(chuàng)造了一個(gè)“Gene’s Law”定律，意思是，為了迎合客戶的需求，我們平均每?jī)赡昃鸵压慕档鸵话?，TI也一直很果敢地?fù)?dān)當(dāng)著這個(gè)重任。TMS320C54x產(chǎn)品誕生后，我們實(shí)現(xiàn)了讓手機(jī)通話時(shí)間持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，待機(jī)時(shí)間持續(xù)數(shù)天。圖3展示了自1982年創(chuàng)建以來(lái)的Gene’s Law。

　　圖3 Gene’s Law描述了DSP發(fā)展過(guò)程中，每單位信號(hào)處理的功耗損失率

　　1992年，世界上首個(gè)GSM網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始部署，并且承諾將要實(shí)現(xiàn)低成本、無(wú)處不在和便攜通訊。十年后，全球手機(jī)用戶量達(dá)到了10億部，而到了今天，這個(gè)數(shù)字變成了50多億。從最初只支持語(yǔ)音通話的簡(jiǎn)單移動(dòng)電話，變成了如今一個(gè)支持語(yǔ)音與數(shù)據(jù)的多媒體平臺(tái)。要在同樣的功耗下將手機(jī)和基站的性能提升10倍，這對(duì)于TI來(lái)說(shuō)又是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。隨著用戶界面和應(yīng)用程序越來(lái)越重要，TI為手機(jī)研發(fā)了第一套多媒體處理器，運(yùn)用OMAP應(yīng)用平臺(tái)。它其中包含卓越的通用處理器、圖形和數(shù)字信號(hào)處理等功能，應(yīng)用于高質(zhì)量相機(jī)、高清視頻和音樂(lè)。

　　從產(chǎn)品到使能器的轉(zhuǎn)變

　　也許有人會(huì)覺(jué)得DSP作為一個(gè)產(chǎn)品，從一文不值到創(chuàng)造每年數(shù)十億美元的價(jià)值之后又銷聲匿跡很奇怪。但是這確實(shí)是一個(gè)好消息的開(kāi)始。它并沒(méi)有銷聲匿跡，只是融入到了每一部數(shù)字處理系統(tǒng)中而已。為什么這么說(shuō)呢，因?yàn)槲覀冊(cè)贗C技術(shù)中所做的努力已經(jīng)允許在硅芯片中嵌入DSP。曾經(jīng)的DSP是非常大的，而如今卻小到幾乎看不見(jiàn)。首個(gè)可編程DSP TMS32010將其裸片的四分之一用于乘法器，而現(xiàn)在的乘法器如此的小就像曾經(jīng)用過(guò)的接合墊。DSP的核心理論現(xiàn)在也可以在嵌入式處理器世界中獲得更大的發(fā)揮價(jià)值。

　　從另一個(gè)角度看來(lái)，我們也在針對(duì)特定市場(chǎng)的需求為我們的信號(hào)處理器進(jìn)行著優(yōu)化。與其說(shuō)我們打造了一條DSP產(chǎn)品線，不如說(shuō)我們打造了一條通信信號(hào)處理器、音頻信號(hào)處理器、視頻信號(hào)處理器、圖像信號(hào)處理器和馬達(dá)控制處理器的產(chǎn)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(guān)鍵的，就是我們要將DSP集成在各種系統(tǒng)處理器(像ARM)、各種加速器和外設(shè)中，通過(guò)集成化這些元素，我們就創(chuàng)造出了完整的嵌入式處理器的系統(tǒng)解決方案。所以信號(hào)處理的歷史，從發(fā)現(xiàn)DSP理論到目前為止，可以總結(jié)為信號(hào)處理理論到信號(hào)處理器產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，甚至是到嵌入式處理器系統(tǒng)的使能器的轉(zhuǎn)變。

　　而DSP的第三個(gè)發(fā)展方向是創(chuàng)造了多線程處理架構(gòu)。隨著具有特定應(yīng)用的系統(tǒng)漸漸興起，從可編程的處理器轉(zhuǎn)向可配置處理器，再到單功能處理器，這些都是合理的。因?yàn)閷?shí)際信號(hào)的平行性，這種轉(zhuǎn)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(gè)嶄新的嵌入式處理系統(tǒng)出現(xiàn)了。這與一臺(tái)設(shè)備中有多個(gè)完全相同的處理器概念是不同的，這個(gè)信號(hào)處理的世界是雖然符合阿姆達(dá)爾定律(阿姆達(dá)爾定律的主要觀點(diǎn)是隨著系統(tǒng)中處理器的不斷增加，系統(tǒng)的速度將會(huì)趨于穩(wěn)定)的世界，但這個(gè)世界又是一個(gè)特例，因?yàn)樵撓到y(tǒng)可以被拆成數(shù)個(gè)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(tǒng)更加的穩(wěn)定易用。

　　這三項(xiàng)重大的研發(fā)成果把我們帶到了今天，這是一個(gè)多么令人興奮的時(shí)代，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們?nèi)匀辉趯ふ抑跷覀兿胂蟮臋C(jī)遇。在客戶方面看來(lái)：技術(shù)允許DSP成為高度優(yōu)化的解決方案的一部分，滿足了他們差異化的需求，與那個(gè)微處理器的只有一種通用型號(hào)的時(shí)代形成了鮮明對(duì)比。有了高度優(yōu)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(lái)

　　所以，我們下一步將要怎樣走呢?別急，有意思的事才剛剛開(kāi)始。我們現(xiàn)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(tǒng)。我們可以將嵌入式處理系統(tǒng)同異質(zhì)處理器(heterogeneous processors)、加速器和周邊外設(shè)結(jié)合起來(lái)處理舊的信號(hào)和新的信號(hào)。處理信號(hào)的需求在不斷增長(zhǎng)。我的一個(gè)麻省理工學(xué)院的朋友說(shuō)：“永遠(yuǎn)都會(huì)有新的吸引人的信號(hào)出現(xiàn)，永遠(yuǎn)都會(huì)有處理信號(hào)的需求。”目前的IC技術(shù)讓我們?cè)谔幚硇盘?hào)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(guò)提升處理器的性能，我們還可以探索一些我們過(guò)去沒(méi)有考慮到的新信號(hào)。例如，即將引入的3D圖像和視頻分析。的確，這些概念已經(jīng)存在很多年了，但是我們現(xiàn)在才有足夠的處理性能來(lái)精確地做一些得心應(yīng)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(shù)，我們可以發(fā)掘一些新的概念，如“能量清道夫(energy scavenger)”和“永久設(shè)備(perpetual device)”等。這些完全是新的機(jī)遇，我們對(duì)其還一無(wú)所知，我們要對(duì)它們進(jìn)行探索。而云計(jì)算的概念為我們探索這些領(lǐng)域打開(kāi)了一扇窗----我將其叫做“clutter around the cloud”，我們將會(huì)發(fā)掘出上千種可以和“云”扯上關(guān)系的東西，像包括智能傳感器和超薄客戶端等等。最后一個(gè)令人興奮的事情是，在集成電路技術(shù)的這一點(diǎn)上，我們可以考慮結(jié)合數(shù)字和模擬概念來(lái)更好地處理信號(hào)。

　　這是一個(gè)令人興奮的技術(shù)新紀(jì)元。我親身經(jīng)歷了從DSP誕生，幫助其成長(zhǎng)，到眼見(jiàn)其成熟。我也見(jiàn)證了從當(dāng)初的一個(gè)器件到如今的每個(gè)器件中都有DSP的技術(shù)，通過(guò)以下這些努力：

　　1) 通過(guò)TI的DSP技術(shù)，我們很快將會(huì)看到，現(xiàn)在那些很笨重很昂貴的醫(yī)療設(shè)備通過(guò)TI DSP技術(shù)將會(huì)變得小到可以拿在內(nèi)科醫(yī)生和急診醫(yī)生的手中。

　　2) 便攜超聲儀器將很快應(yīng)用于阿富汗和伊拉克的野戰(zhàn)醫(yī)院中，它們也將改變印度和中國(guó)的醫(yī)療保健現(xiàn)狀。

　　3) 通過(guò)使用TI的DSP技術(shù)，空調(diào)等家用電器進(jìn)行了調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制以后，效能正在發(fā)生戲劇性的改進(jìn)。

　　4) 安全攝像頭正在脫離模擬的時(shí)代，轉(zhuǎn)向基于IP的數(shù)字技術(shù)，可以通過(guò)更加精細(xì)地分析迅速的報(bào)警。

　　5) 電動(dòng)車正在被基于安全的系統(tǒng)“照看”著，隨時(shí)提醒司機(jī)潛在的危險(xiǎn)。

　　6) 太陽(yáng)能和風(fēng)能等替代能源利用TI的DSP技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，從而可以安全地接入電網(wǎng)。

　　這些都是真正激動(dòng)人心的偉大時(shí)刻。TI的DSP技術(shù)正在讓人們的生活更健康、安全、環(huán)保、智能，也更有樂(lè)趣。而且，就DSP技術(shù)為世界帶來(lái)的改變來(lái)看，我們現(xiàn)在還僅僅是享受到皮毛而已。

　　尾聲

　　我整個(gè)的職業(yè)生涯都在為DSP技術(shù)尋找新的應(yīng)用以及新的使用者。我是TI的一位研發(fā)人員，我的職位給了我追求我的激情的廣闊空間和強(qiáng)大的后盾。

　　但是尋找新的應(yīng)用和新的使用者并不是聽(tīng)起來(lái)那么簡(jiǎn)單。全球的創(chuàng)新因素并不是有組織的，所以我花了很大一部分時(shí)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(shù)會(huì)出現(xiàn)在大學(xué)和一些初創(chuàng)型公司中。這些年我一直都說(shuō)創(chuàng)新與公司的規(guī)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(chuàng)新。我只能說(shuō)TI是與眾不同的，它的技術(shù)人員把自己想象為在初創(chuàng)公司中，直到他們需要大公司的支持力量時(shí)。這就是TI與眾不同的企業(yè)文化。

　　在那些大學(xué)里，我做了很多關(guān)于創(chuàng)新和技術(shù)將會(huì)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(chuàng)新者。我還要注意區(qū)分大眾想法和有價(jià)值的想法，而那些有價(jià)值的想法正是我所尋找的。和一個(gè)創(chuàng)新者談話，我的目標(biāo)是鼓勵(lì)他和向他展示TI怎樣幫助個(gè)人成功。在TI，我們不斷尋找和獎(jiǎng)勵(lì)新的靈感，這也是我繼續(xù)尋找新的機(jī)會(huì)和技術(shù)的方法。我目前感興趣的領(lǐng)域是機(jī)器人學(xué)、可再生能源和提高生活品質(zhì)的技術(shù)。但是我一如既往地對(duì)更多領(lǐng)域感興趣，只要它們能用到DSP技術(shù)，我將會(huì)隨時(shí)洗耳恭聽(tīng)。