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世紀六十年代中期，當時(shí)我還在讀高中。到了七十年代初，我聽(tīng)說(shuō)數字信號處理可以在通信方面起到一些神奇的作用。后來(lái)我在德州儀器的計算器部門(mén)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(shū)中接觸到了數字信號處理的理論，那是1977年。

　　這本書(shū)是叫Oppenheim和Schafer的兩個(gè)人寫(xiě)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(xué)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(shí)時(shí)操作實(shí)現能力和掌握熟練DSP技能的工程師的技術(shù)。而我是負責Speak &Spell這個(gè)產(chǎn)品的團隊中的一員。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)團隊創(chuàng )立之初只有四個(gè)人。Paul和我負責產(chǎn)品研發(fā)這一塊。我們還拉入一個(gè)IC架構師Larry Brantingham，和一個(gè)語(yǔ)音系統專(zhuān)家Richard Wiggins。能趕上那個(gè)時(shí)機對我們來(lái)說(shuō)真的很幸運。記得那是1976年的秋天。圖1是我們拿著(zhù)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部資金之后，我們四個(gè)開(kāi)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(lái)進(jìn)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(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(shí)，我感覺(jué)我們是走在DSP技術(shù)革命的最前沿，我們也意識到了半導體技術(shù)可以廣泛地商業(yè)化，而關(guān)鍵要做的就是培養足夠多的DSP工程師，同時(shí)要讓客戶(hù)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，而且我們要打造出一個(gè)簡(jiǎn)單易用的平臺。正如我所看到的，數字信號處理技術(shù)擁有無(wú)限的潛力，它將在手機、成像、醫療電子、安防等領(lǐng)域掀起一場(chǎng)數字革命。

　　從系統到組件

　　有了做Speak& Spell的經(jīng)驗之后，我加入到了TI新成立的DSP團隊，我們通過(guò)這個(gè)團隊，把這項革新的技術(shù)推廣給大眾。我們從拜訪(fǎng)那些數字信號處理領(lǐng)域的權威教授開(kāi)始，為他們提供TI當時(shí)的主流可編程DSP設備的硬件和軟件，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(shū)、實(shí)驗室，捐贈了設備，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，都有機會(huì )接觸到DSP的課程。我還看到了客戶(hù)對于這項技術(shù)的實(shí)習培訓和應用說(shuō)明的需求。我們的第一款產(chǎn)品是TMS32010，性能達到了5MIPS，并擁有55000個(gè)晶體管。1982年2月4日我們在ISSCC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的設計技術(shù)以及大約 50,000 邏輯門(mén)電路庫.

　　在客戶(hù)方面，我們?yōu)樗麄兂尸F了數字信號處理技術(shù)的眾多優(yōu)勢。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新技術(shù)不斷開(kāi)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(lǐng)域。我們也嘗試著(zhù)去尋找一些可以嵌入DSP技術(shù)的客戶(hù)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，我們如果想要改變世界，那么產(chǎn)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(shù)的革新是便攜領(lǐng)域從模擬轉向數字的本質(zhì)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(lái)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(gè)月會(huì )減掉一半。于是，我拿著(zhù)一張對比圖表來(lái)敦促我們的設計團隊，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(hù)的需求，我們平均每?jì)赡昃鸵压慕档鸵话?，TI也一直很果敢地擔當著(zhù)這個(gè)重任。TMS320C54x產(chǎn)品誕生后，我們實(shí)現了讓手機通話(huà)時(shí)間持續幾個(gè)小時(shí)，待機時(shí)間持續數天。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)現低成本、無(wú)處不在和便攜通訊。十年后，全球手機用戶(hù)量達到了10億部，而到了今天，這個(gè)數字變成了50多億。從最初只支持語(yǔ)音通話(huà)的簡(jiǎn)單移動(dòng)電話(huà)，變成了如今一個(gè)支持語(yǔ)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(lái)說(shuō)又是一個(gè)巨大的挑戰。隨著(zhù)用戶(hù)界面和應用程序越來(lái)越重要，TI為手機研發(fā)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(zhì)量相機、高清視頻和音樂(lè )。

　　從產(chǎn)品到使能器的轉變

　　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 )造每年數十億美元的價(jià)值之后又銷(xiāo)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(xiāo)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(shuō)呢，因為我們在IC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)，我們也在針對特定市場(chǎng)的需求為我們的信號處理器進(jìn)行著(zhù)優(yōu)化。與其說(shuō)我們打造了一條DSP產(chǎn)品線(xiàn)，不如說(shuō)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(chǎn)品線(xiàn)，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集成在各種系統處理器(像ARM)、各種加速器和外設中，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解決方案。所以信號處理的歷史，從發(fā)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(chǎn)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(gè)發(fā)展方向是創(chuàng )造了多線(xiàn)程處理架構。隨著(zhù)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(shí)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(gè)嶄新的嵌入式處理系統出現了。這與一臺設備中有多個(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(guān)點(diǎn)是隨著(zhù)系統中處理器的不斷增加，系統的速度將會(huì )趨于穩定)的世界，但這個(gè)世界又是一個(gè)特例，因為該系統可以被拆成數個(gè)小的專(zhuān)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(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，系統設計師們仍然在尋找著(zhù)超乎我們想象的機遇。在客戶(hù)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(mǎn)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的時(shí)代形成了鮮明對比。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(zhì)處理器(heterogeneous processors)、加速器和周邊外設結合起來(lái)處理舊的信號和新的信號。處理信號的需求在不斷增長(cháng)。我的一個(gè)麻省理工學(xué)院的朋友說(shuō)：“永遠都會(huì )有新的吸引人的信號出現，永遠都會(huì )有處理信號的需求?！蹦壳暗腎C技術(shù)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(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。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，但是我們現在才有足夠的處理性能來(lái)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(shù)，我們可以發(fā)掘一些新的概念，如“能量清道夫(energy scavenger)”和“永久設備(perpetual device)”等。這些完全是新的機遇，我們對其還一無(wú)所知，我們要對它們進(jìn)行探索。而云計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(hù)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，我們可以考慮結合數字和模擬概念來(lái)更好地處理信號。

　　這是一個(gè)令人興奮的技術(shù)新紀元。我親身經(jīng)歷了從DSP誕生，幫助其成長(cháng)，到眼見(jiàn)其成熟。我也見(jiàn)證了從當初的一個(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，現在那些很笨重很昂貴的醫療設備通過(guò)TI DSP技術(shù)將會(huì )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(guò)使用TI的DSP技術(shù)，空調等家用電器進(jìn)行了調速電動(dòng)機控制以后，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，轉向基于IP的數字技術(shù)，可以通過(guò)更加精細地分析迅速的報警。

　　5) 電動(dòng)車(chē)正在被基于安全的系統“照看”著(zhù)，隨時(shí)提醒司機潛在的危險。

　　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大的后盾。

　　但是尋找新的應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。他們大多數會(huì )出現在大學(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(zhù)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(huà)的人，他們也是真正的創(chuàng )新者。我還要注意區分大眾想法和有價(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(huà)，我的目標是鼓勵他和向他展示TI怎樣幫助個(gè)人成功。在TI，我們不斷尋找和獎勵新的靈感，這也是我繼續尋找新的機會(huì )和技術(shù)的方法。我目前感興趣的領(lǐng)域是機器人學(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)。