高性能汉芯系列

        随着现代计算机技术和互联网技术的发展，以集成电路为核心的电子信息产业已经超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。集成电路的发展趋势也由简单功能转向具备更多和更为复杂的功能，目前， 系统芯片 （SoC，System on Chip），以IP复用为基础，把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中,实现了集成电路设计能力的第4次飞跃。近几年迅速发展的SoC芯片大多以DSP和MCU为核心。因此，DSP技术也已经成为集成电路设计的核心技术之一。

       一、世界DSP市场

       DSP和CPU被公认为半导体行业的两大核心技术。随着人们对信息的快速、精准处理的要求，DSP在芯片设计中的应用迅速增加。据Forward Concepts的统计显示：DSP产品市场每年正以30%的增幅大幅度增长，比整个半导体行 业快50%。预计在2005年，全球DSP市场在IC领域所占比重将超过30%，达到100亿美元，到2007年，将达到500亿美元。另外，据市场调查公司ICE的资料显示，2002年在全球DSP市场上，用于通信新产品领域的DSP占有最大的市场份额，约占48%，在计算机和modem领域占30%，硬盘机占12%，消费电子产品领域占5%；在军事航天领域占5%。近两年随着消费电子市场的崛起，DSP在消费电子中的应用飞速发展。在如此巨大的全球DSP市场前，云集了一批世界级的电子厂商，其中TI、Analog Devices、Lucent和Freescale几家公司占领了DSP市场的大部分，还有一小部分被Hitachi、NEC、STMicroelectonics和Zilog等公司占据。

       二、DSP技术格局与走势

       目前DSP相关核心技术主要掌握在国外公司手中。纵观国内外DSP的发展状况，DSP的发展趋势可归纳为：高集成度、高速、低功耗、抗干扰和高可靠方向。

       TI不久前制定的该公司在21世纪初的产品发展策略是：以DSP产品为核心，融合MCU、MPU（混合信号产品）和存储器等多种产品和技术，为用户提供统一的数字信号处理解决方案（DSPS）。其推出的TMS320C2000、TMS320C5000以及TMS320C6000被专家预测为21世纪初该公司的主流产品。其中TMS320C2000属于16位定点DSP，速度20MIPS，主要用于电话等通信产品；TMS320C5000系列芯片属于低功耗 高性能 DSP，16位定点、40-200MIPS，主要用于有线通信和无线通信设备、IP电话、寻呼机以及多种便携式信息系统；TMS320C6000属于高性能DSP，速度在1200-2000MIPS，可用于无线基站、网络系统、中心局交换机以及ADSL Modem等。

       Agere和Motorola这两家通信业巨头联合成立的StarCore推出的高性能SC140DSP内核，可以使用户的无线产品开发时间减少50%以上，在300MHz时，这种DSP的性能可达1200MMACS/3000RISCMIPS，而工作电压仅为0.9-1.5V，适用于集中式运算的下一代通信应用，如3G无线手机和基站、局用交换设备、DSL和VoIP等。中国的DSP技术起步较早，全国有百余所高校研究所从事DSP算法的教学与科研。目前在信号处理理论和算法方面与国外差距不大，但是系统芯片的实用化、产业化方面的工作进展缓慢。适合开发的国内DSP市场包括家电、军工、汽车、信息安全和玩具市场。中国的DSP处理器和其衍生芯片必将是针对这些巨大市场而开发的。

       三、 汉芯 DSP产品

       依托长三角集成电路产业的优势，在汉芯人的共同努力下，"汉芯一号"－国内第一款自主研发、速度达到200MHz并采用0.18微米工艺流片的16位定点数字信号处理器于2002年2月26日面世。"汉芯一号"高性能DSP芯片项目得到王阳元、邹世昌、许居衍等院士和863计划IC专家组组长严晓浪教授的权威鉴定："汉芯一号"及其设计、应用开发平台属于国内首创，达到了国际先进水平，是中国的芯片发展史上一个重要的里程碑。

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       汉芯 二号、三号是上海交通大学继“汉芯一号”之后的又两个重大科研成果。“汉芯二号、三号” 高性能 DSP芯片作为汉芯家族的新成员，在性能和开发支持等方面又有了较大的发展。汉芯二号24位DSP芯片采用0.15~0.18微米半导体工艺设计，具有每秒1.5亿次指令的运算速度和150MHz的时钟主频。国家863计划的重点项目“汉芯三号---32位DSP芯片”，主频达到300MHz/600MIPs，采用低功耗设计方法，平均功耗仅为30mw/100MHz，已超出国家863原定的性能要求。专家一致认为，汉芯三号芯片达到了国际著名公司同类产品的先进水平，是我国高性能、低功耗32位DSP芯片研究的重大突破。   

                   &nbs p;                                                图1 汉芯一号

                                                                     图2 汉芯三号

       四、核心技术和创新点

       汉芯系列DSP共申请12项专利和一项布图保护，创新点包括支持多字指令格式，片上存储器和Cache是可切换结构，Cache容量可重构，快速响应中断结构，独特的可嵌套硬LOOP结构可加快算法速度，提供多种低功耗工作方式。汉芯系列DSP和国外同类产品相比，性能处于国内领先、国际先进水平，但价格远低于国外产品，良好的性价比将在信息家电、音频处理、多媒体通信等领域大显身手。其他主要创新点有：

       （1）多级灵活Cache结构为了平衡处理器和存储器之间的速度差异，进一步降低DSP对存储器的访存压力，汉芯系列DSP芯片设计了高效灵活的Cache结构，采用带有二级Cache的改进的哈佛结构，单周期能够执行多条指令。针对不同的设备应用，Cache的容量是可以动态调整，因此Cache模块是十分灵活实用的。

                                                   图3 带有二级Cache的改进的哈佛结构

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       （2）深度流水线结构 汉芯 系列DSP采用多级深度流水线结构，单周期并发多条指令，Load和Store在流水线的同一级执行，消除了读和写内存冲突。

                                                          图4多级流水线结构示意图

   &nbs p;   （3）低功耗技术汉芯系列DSP在设计时已考虑到低功耗的需求，大量使用专门针对低功耗的VLSI设计方法，包括专门的低功耗标准元件库，低功耗为重要指标的电路综合流程，芯片等待停止模式的结构设计，和智能化电源管理电路等技术。除了正常工作模式外，DSP核还支持SLEEP和STOP两个更低功耗模式，最终使得处理器的功耗处于同类产品的领先水平。

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