個人應用需求帶頭　數位訊號處理器廣納多元技術

據統計，至目前為止，數位訊號處理器(DSP)出貨量已破九十五億，而研究機構In-Stat預估2009年DSP單年出貨量可達二十八億片，顯示DSP觸角已深入半導體各大領域，被廣泛用於各種領域。
 

自二十五年前德州儀器(TI)開啟DSP從軍事及國防領域進入商用化之濫觴，DSP發展邁入通訊領域後，更因個別應用需求日與俱增，促使其技術不斷推陳出新。DSP最主要功能是藉由其單週期乘法器或乘法累加器，來加速編解碼演算執行，使實際運行速度可達每秒千萬條複雜指令程式，這種高度運算分析技術遠超過一般微處理器(MCU)。
 

圖1　TI DSP首席科學家暨數位訊號處理業務發展經理方進認為，數位訊號處理器將受安全監控系統器用。

德州儀器DSP首席科學家暨數位訊號處理業務發展經理方進(Gene A. Frantz)(圖1)指出，隨著DSP設計轉向以產品為先、晶片次之的製造模式，扭轉整個生態系統發展順序，使目前主要集中在音訊、視訊娛樂領域的DSP技術，因其視訊分析技術的提升而擴展至安全監控應用，甚至蔓延至車用電子、醫療、綠色能源等領域。尤其DSP透過訊號處理最佳化，可將影像壓縮所成各種標準和非標準格視訊格式，如TI專為DSP發展之DaVinci技術應用在安全監控面上，可在數位攝影機捕捉來源的片段，具有D1解析度之720×480畫素H.264視訊編碼能力。
 

藉FPGA實現高彈性
 

但DSP受限於乘法加速器須完成週期運作後，才可重複運算，於是具備高度彈性運算的現場可編程閘陣列(FPGA)便順勢崛起。且FPGA適合執行數據格式化，如串列到平行轉換、時間標記、多工和資料封包形成。FPGA元件內含針對數位訊號處理應用的構造模組，包括專用乘法引擎和靈活的記憶體結構。Altera今年7至8月舉辦全球DSP巡迴展，力推將DSP整合至FPGA內，欲藉由可重複改變組態的電路，讓使用者進行編程的邏輯閘元件以提升設計空間的彈性。
 

圖2　Altera台灣區應用工程經理卓文中表示，藉由FPGA高彈性編程，可擴大DSP應用範圍。

Altera台灣區應用工程經理卓文中(圖2)表示，藉由FPGA所具備的平行處理計算能力，可讓視訊處理更加完善。以靜態影像為例，將影像分為亮度與色度顯示處理，特別於色度上藉由RGB與YCrCb間轉換，以CR取代R、Y取代G、Cb取代B，可使原本四畫素改為一單位計算，即使影像大幅度縮放，也不會失真。
 

3D處理速度快馬加鞭
 

近期全球衛星定位系統(GPS)市場當紅，而市面上衛星導航系統多採用2D，且螢幕只能顯示單一衛星圖，為了突顯產品差異化，GPS顯示器漸朝向整合DSP與3D繪圖加速器於系統單晶片(Soc)上。飛思卡爾(Freescale)DSP藉PowerVR MBX Lite 3D圖形核心結合3D繪圖加速器於系統單晶片內，包含高性能向量處理單元的PowerVR Vertex Geometry處理器，可支援3D紋理和濃淡處理。其加速器用在顯示介面單元(Display Interface Unit, DIU)上，可在每幅畫面繪出兩千個三角形、而每秒鐘更可高達六十萬個三角形，足以應付3D所需複雜運算能力。另外，為避免和MCU應用市場重複，眾多廠商以DSP結合MCU成為數位訊號控制器(Digital Signal Controller, DSC)，如微芯(Microchip) DSC主要用於電機控制與智慧 感測，而飛思卡爾DSC則鎖定車用音效處理，其放大DSP即時類比訊號進行處理高速執行能力，藉由濾波器(Filter)降低音訊規格轉換時產生的雜訊。
 

雖然MCU和DSP應用市場部分重疊，若釐清MCU和DSP各自優勢，實際上，兩者可於應用上相輔相成(表1)。MCU可程式特性實現較高靈活度，在DSP上進行之運算均可在MCU上執行。兩者間差異在於MCU處理特定訊號的速率較慢，但可針對訊號輸入數據進行各種邏輯和運算處理，而DSP則善於執行同類訊號的大量重覆運算。

TI藉DSP改進通訊能力後，現在廣被消費性電子採用，方進進一步指出，DSP在半導體界還屬年輕科技，因此也被賦予更多想像空間。
 

除新興車用或安全監控領域外，未來DSP應用甚至可支援人工眼角膜、整合各種電源，並轉換成有效電力使用，可望成為綠色能源生力軍。雖然現今綠色能源喊得震天價響，方進認為，在數位訊號能力、能源損耗與成本三大考量下，DSP勢必先提升訊號處理能力後，再考量如何降低成本，能源損耗則居末。
 

畢竟綠色能源市場未臻成熟前，廠商必須投入大規模成本研發才可能實現綠色願景。