【技术贴】解密艾为飞天™DSP黑科技（一）：音频DSP技术演进与设计

随着上世纪六十年代快速傅里叶变换（FFT）的提出以及无限冲激响应（IIR）和有限冲激响应（FIR）滤波器设计的完善，数字信号处理技术的需求开始快速增长。这一时期，音频、图像、通信等领域的需求显著增加，推动了数字信号处理器（DSP）的开发与应用。

 

在音频领域，Audio DSP技术得到了快速发展，通过创新的音频算法设计，显著提升了系统音效质量。随着人工智能技术的突破性进展和神经处理单元（NPU）的兴起，未来音频处理技术将朝着DSP与NPU相结合的方向发展，为音频处理的智能化发展提供了新的方向。

 

数模龙头艾为电子推出的艾为飞天DSP，正是面向现代音频处理需求而生的高性能解决方案。“飞天”一词凝聚了东方的美学与想象，源于神话中飞翔的“东方女神”形象，“飞”寓意着突破声音物理局限的音效跃迁； “天”寓意着抵达音质纯净的至高境界，“飞天” 之名与 “神仙算法SKTune” 形成呼应，承载着传统文化、东方浪漫与技术突破的意象。

 

本系列将从以下几个方面来阐述DSP的技术演进以及艾为飞天DSP相应的产品的演进：

DSP技术演进与设计

艾为飞天DSP产品的演进

艾为飞天DSP特色算法介绍

 

DSP技术演进与设计
 

近年来，DSP（数字信号处理器）在架构设计、指令运行、制程工艺以及算法适配等维度不断演进，通过技术创新和优化设计，不仅显著提升了DSP的性能表现，还有效降低了其功耗需求。

 

01 DSP的架构

 

DSP架构是数字信号处理系统的核心，其设计直接影响信号处理的效率以及系统的整体性能。

 

冯诺依曼架构

图1 冯诺依曼结构

 

冯诺依曼架构是现代计算机的基础。目前的计算机的CPU的架构几乎都来源于冯诺依曼架构。冯诺依曼架构定义了CPU与存储的基本关系。CPU之间通过总线进行数据传输，可以传输指令也可以传输数据。而指令和数据在同一个存储区中，使用一个总线来进行传输。在进行数据处理过程中，冯诺依曼架构的数据和指令在同一个总线上处理，其中两个传输的内容必须串行处理，所以计算机的基本操作取指和取数据不能同时操作。指令的几个基本操作参考图1。

 

哈弗架构

图2  哈弗结构

 

哈弗结构，将数据和指令使用不同的总线进行传输，取指和译码操作可以进行并行处理。当在进行指令1的译码时，指令2的取指可以同时进行，这个是因为数据传输在两条不同的总线上，这两个操作可以并行操作，这样大大提升处理器的性能。DSP几乎都是采用哈弗架构的处理器。

 

02 SIMD介绍

 

随着技术的发展和对于计算的更高的诉求，DSP计算需要从宽带化，向量化等方面演进。指令方面也逐步从单指令单数据(SISD)逐步转化为单指令多数据处理的方式(SIMD)。下面来看以下这种几种技术的区别。SIMD(Single Instruction Multiple Data)的技术在各个DSP或者CPU上进行演进和发展:             
 

图3   SISD(Single Instruction Single Data)与SIMD的逻辑图示

 

SIMD的寄存器可以区分为64-bit和128比特。64-bit寄存器的数据可以分为：两个32位，四个16位，或八个8位整数数据元素可以同时在一个64位寄存器中进行操作；128-bit寄存器的数据可以分为：四个32位，八个16位，或16个8位整数数据元素可以同时在一个128位寄存器中进行操作。这种SIMD的操作方式使得DSP/CPU在计算性能方面得到极大的提升。

 

在后续DSP/CPU厂商的技术演进中，部分厂商采用了超长指令字（Very Long Instruction Word, VLW）的SIMD（单指令多数据）模式，以提升并行计算能力。例如，高通DSP的HVX（Hexagon Vector eXtensions）指令和ARM的NEON指令形式，这些指令通过扩展向量处理能力，显著提升了并行计算效率。艾为飞天DSP也在向量计算领域进行了深入研究和实际应用，以优化其处理性能和效率。

 

03  DSP的工艺与功耗

 

除了计算性能，制程工艺是DSP技术发展中的另一个关键领域。20世纪90年代，随着CMOS工艺的进一步发展，DSP芯片的功耗显著降低。CMOS工艺的低功耗特性使DSP在语音处理、图像处理等领域得到了更广泛的应用。作为DSP行业的领军企业，德州仪器（TI）的C5000系列采用的是0.18微米工艺，而C6000系列则升级为90纳米或65纳米工艺。相较于C5000，C6000在功耗和性能方面均有显著提升。

工艺的演进不仅使芯片面积显著缩小，便于集成到单板系统中，还显著降低了功耗。例如，采用90纳米工艺的移动高清编码器IP功耗约为100毫瓦，而采用65纳米工艺时，功耗可降至50毫瓦，功耗节省约50%。

在实现低功耗设计时，除了工艺技术的改进，其他技术的演进同样重要。动态电压频率调节（DVFS）是一种通过实时调整工作电压和频率来优化功耗的技术。在轻载情况下，DSP可通过降低电压和频率显著减少功耗。这一技术依赖于精确的负载预测和快速的工作点切换，通过性能计数器统计指令执行情况，从而实现动态调节。

 

 

通过以上介绍可知，DSP的架构目前均为基于哈弗结构构建，这种架构能够有效提升系统效率。同时，SIMD（单指令多数据）的指令处理方式从另一个维度显著提升了DSP的处理能力。此外，在DSP的发展过程中，工艺技术对其性能具有重要影响，更先进的制程工艺越能带来功耗和面积的优化。后续的文章将介绍艾为飞天DSP产品的演进。