車載DSP：新應(yīng)用孕育國產(chǎn)“芯”機遇

數(shù)字信號處理器（DSP）是一類專門用于實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法的半導(dǎo)體器件，其與CPU、GPU、FPGA并稱為“四大通用芯片”；依托豐富的數(shù)字信號處理指令、獨立高效的存儲及總線結(jié)構(gòu)、更完備的外設(shè)資源以及低功耗特性，DSP可快速完成信號采集、復(fù)雜計算處理、控制矢量輸出及通信數(shù)據(jù)交互，特別適用于實時控制應(yīng)用場合。當前我國正在持續(xù)推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加快建設(shè)汽車強國。新能源汽車產(chǎn)業(yè)上半場的主題為電動化，下半場的主題為智能化，作為實時控制器的DSP，均可在基礎(chǔ)器件層面提供重要支撐。打造持續(xù)穩(wěn)定的新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈與供應(yīng)鏈，發(fā)展DSP芯片意義重大，市場前景廣闊。

電動化智能化，汽車漸成DSP新應(yīng)用市場

在汽車電動化、智能化發(fā)展的大趨勢下，一輛汽車安裝使用的芯片數(shù)量迅速增加。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會提供的數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)燃油車所需汽車芯片數(shù)量為600～700顆，電動車提升至1600顆/輛，更高級的智能汽有望提升至3000顆/輛。而DSP正是其中最主要的芯片類型之一。

從分布式向集中式演進，汽車的電子電器架構(gòu)日益被分成分為五大功能域——動力域、底盤域、車身域、座艙域和自動駕駛域，各自實現(xiàn)基本功能。在動力域，DSP可以實現(xiàn)對主電機、直流電壓轉(zhuǎn)換DC-DC、車載充電機OBC的控制等。憑借數(shù)據(jù)和程序相互獨立的總線結(jié)構(gòu)、獨特指令集和豐富數(shù)模外設(shè)資源，DSP在同等主頻下能大幅提升算力，實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，保證實時性能。

車身域也是汽車電子系統(tǒng)重要的組成部分，包含汽車門窗、燈光、雨刮、電動座椅、空調(diào)控制等與車內(nèi)駕乘體驗息息相關(guān)的應(yīng)用，散熱風扇控制、油泵/水泵控制等混動汽車安全控制相關(guān)的電機應(yīng)用，均需要進行實時的采集外部信號、實現(xiàn)復(fù)雜電機計算和相應(yīng)控制，DSP芯片也非常適合使用在這些場景當中。

較之燃油車，隨著動力形式改變，新能源汽車的諸多系統(tǒng)也隨之發(fā)生變化，如動力控制、基礎(chǔ)供電、熱管理、（增加）充電管理等，使其對電機的使用數(shù)量遠遠超過燃油車。隨著智能電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，燃油車被替代的速度加快，DSP作為兼具精準和實時的控制器，在新能源汽車中的應(yīng)用將得到進一步增強。

此外，DSP等控制芯片在充電樁中的應(yīng)用也不容忽視，一款高端的充電樁，需集成多顆DSP、MCU等控制器，才能有效實現(xiàn)對功率器件等的數(shù)字控制。充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在加快，截止2022年12月全國已累計建成充電樁521.0萬臺。以常見功率120kW左右的直流充電樁為例，含功率器件及控制芯片的充電模塊占比最高達50%。

整體規(guī)模攀升，DSP具獨特性能優(yōu)勢

由于應(yīng)用場景的增長及單位設(shè)備中采用數(shù)量的增多，DSP的整體市場規(guī)模不斷攀升。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2022年全球DSP市場規(guī)模約達129.06億美元。從DSP芯片下游應(yīng)用結(jié)構(gòu)來看，通信、儀器儀表、消費電子、自動控制、航空航天、汽車等均是DSP的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在汽車，在電動化、智能化的加持下，電機控制的需求不斷增多。DSP獨特之處在于可以即時處理數(shù)據(jù)，使其在這一領(lǐng)域擁有先天的優(yōu)勢。汽車特別是新能源汽車已經(jīng)成為DSP最新也是最重要的應(yīng)用市場之一。

一般而言，MCU（MPU）、FPGA與DSP是人們經(jīng)常談及的車規(guī)級控制類芯片，常用于發(fā)動機/底盤/車身控制等。MCU主要完成管理相關(guān)的任務(wù)，可根據(jù)外界信號，產(chǎn)生響應(yīng)，進行一些簡單的人機交互。對于這種需求，通常不需要芯片有太高的主頻，如早期的8051系列MCU主頻約為10M～20MHz。隨著ARM的32位MCU的出現(xiàn)，應(yīng)用范圍才逐步擴大，但仍以百兆赫茲級別為主。

FPGA的硬件結(jié)構(gòu)可以通過編程修改，這使FPGA在設(shè)計和仿真上擁有極大的優(yōu)勢。通過對FPGA編程，可以實現(xiàn)特定的處理器功能。但是，F(xiàn)PGA片內(nèi)有大量邏輯門和解發(fā)器，規(guī)模大、集成度高、可重復(fù)編輯，更適用于系統(tǒng)高速取樣、高數(shù)據(jù)率的場景。

DSP的優(yōu)勢在于運算及控制，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運行速度。部分DSP產(chǎn)品對于控制算法非常擅長，對于處理復(fù)雜多算法任務(wù)，比如在車載電機控制、電機伺服驅(qū)動等方面，正是DSP的好球區(qū)。因此，隨著新能源汽車市場的發(fā)展，DSP已經(jīng)快速進入汽車電控單元，成為當前主要發(fā)展的車規(guī)芯片之一。

值得一提的是，DSP芯片雖然與MCU和FPGA有明顯的區(qū)別，但目前他們之間的關(guān)系既有競爭也有融合。如DSP核與ARM核融合，德州儀器的一些面向車載的高端產(chǎn)品，在DSP周邊配置更多MCU作為外設(shè)，使其控制能力大大提升。在既強調(diào)結(jié)構(gòu)靈活、通用性強以及處理復(fù)雜算法的需求下，部分廠商也會將DSP和FPGA聯(lián)合，采用DSP+FPGA的架構(gòu)，或者將DSP模塊遷入到FPGA中，也是一種設(shè)計思路。

國產(chǎn)DSP上車，機會窗口正在打開

全球第一塊單片DSPTMS32010及其系列產(chǎn)品在1982年誕生。此后，德州儀器、ADI、摩托羅拉等公司不斷推出不同檔次的DSP產(chǎn)品并逐步占領(lǐng)全球市場。目前世界上DSP芯片制造商主要包括德州儀器、ADI和摩托羅拉、恩智浦、杰爾系統(tǒng)等，其中德州儀器的產(chǎn)品線最為豐富，應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛。

德州儀器生產(chǎn)的C2000系列是目前應(yīng)用比較廣泛的產(chǎn)品之一。它的優(yōu)勢在于集成浮點運算內(nèi)核，既具有DSP的較大處理能力，又具有MCU的集成優(yōu)勢，使C2000非常適合做實時控制運算。傳統(tǒng)上，C2000被應(yīng)用于數(shù)字電源和電機控制。隨著新能源汽車中電機控制的需求越來越多，如電動助力轉(zhuǎn)向、防撞等，新能源汽車中的車載充電器 (OBC) 和直流/直流電源、以及汽車牽引電機也成為C2000的用武之地。

汽車市場的高成長性吸引了各大實力廠商，均希望能夠快速搶占汽車等新興領(lǐng)域進行布局。由于國際大廠具有先發(fā)優(yōu)勢，已對下游客戶穩(wěn)定供貨多年。特別是車企對供應(yīng)鏈的安全與穩(wěn)定性極為重視，不會輕易更換供應(yīng)商，國產(chǎn)DSP打入供應(yīng)鏈并不容易。

不過，受2020年爆發(fā)的缺芯潮以及地緣政治因素影響，車企已經(jīng)逐漸開始接納國內(nèi)芯片企業(yè)的產(chǎn)品，甚至直接投資進行研發(fā)。同時，國內(nèi)芯片制造廠也有意愿進行車規(guī)工藝的投入。這些都為國內(nèi)車載DSP的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。如進芯電子開發(fā)的32位浮點DSP芯片AVP32F335系列、32位定點DSP芯片ADP32F035系列、16位定點DSP芯片ADP/ADM16F03系列等，符合IATF16949、AEC-Q100 標準，獲得OEM廠商認可，已實現(xiàn)商用量產(chǎn)。對于國內(nèi)DSP企業(yè)來說，應(yīng)該抓住這個難得的機會窗口，促進上下游間的合作，多方協(xié)同推進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

集成與異構(gòu)，新技術(shù)提供“彎道超車”新機遇

隨著電動化、智能化的發(fā)展，DSP在車用領(lǐng)域必將展現(xiàn)出一些新的技術(shù)趨勢。首先就是更高的集成度。車企不斷追求更高的駕駛體驗，對于動力域主控來說，需要更高的算力，持續(xù)的性能提升。因此，將多個DSP芯核以及外圍的電路單元集成在一顆芯片上，實現(xiàn)DSP系統(tǒng)級的SoC成為趨勢。

異構(gòu)也是趨勢之一。從國際DSP大廠的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，DSP的應(yīng)用場景越來越豐富，巨頭們已經(jīng)形成了更集成、更多核以及更多新架構(gòu)的產(chǎn)品，同時出現(xiàn)了DSP與ARM、DSP與FPGA的架構(gòu)設(shè)計。

在汽車的應(yīng)用當中，低功耗的需求也不容忽視。由于系統(tǒng)運算量大且速度要求高，因此DSP內(nèi)部的部件開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換十分頻繁，這使得DSP的功耗在應(yīng)用系統(tǒng)的功耗中占有相當?shù)谋壤?。總體而言，未來的DSP需要滿足各種嵌入式系統(tǒng)集成化、智能化、低功耗的發(fā)展趨勢，將朝著數(shù)據(jù)處理能力越來越強、集成度越來越高、功耗越來越低等方向發(fā)展。

這些新的技術(shù)趨勢演進過程，為我國DSP產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了機遇。近年來，國產(chǎn)DSP雖然在數(shù)據(jù)處理能力的提升，數(shù)字模擬混合電路設(shè)計以及系統(tǒng)低功耗設(shè)計等方面遇到一些挑戰(zhàn)。但是我國擁有巨大的下游應(yīng)用市場，新能源汽車產(chǎn)銷已經(jīng)居于世界首位。這就給國內(nèi)DSP企業(yè)反復(fù)琢磨，更新技術(shù)提供了空間。國內(nèi)DSP企業(yè)更容易針對國內(nèi)用戶的痛點進行優(yōu)化設(shè)計，滿足用戶需求。比如在安全性方面，采用國產(chǎn)核心芯片就可以針對安全問題進行強化處理。

由于國產(chǎn)DSP更加貼近汽車客戶，能夠提供更及時、全方位響應(yīng)支持，這是國際大廠所不具備的。對中國電動汽車供應(yīng)鏈的支持，需求早期的支持、信息交換也是國際大廠無法比擬的。國際大廠更多是傾向于交付成品。

對于國產(chǎn)DSP來說，新興的汽車應(yīng)用市場是實現(xiàn)高端突破的一個最佳切入點，不僅應(yīng)用需求量大，對于實現(xiàn)自主可控的迫切性也很高。一旦在關(guān)鍵行業(yè)實現(xiàn)突破，就會形成產(chǎn)業(yè)帶動效應(yīng)，加速國產(chǎn)DSP向更多市場領(lǐng)域推廣。