SP是數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor）的簡稱，是一種專門用于高速數(shù)學運算的微處理器。DSP能夠快速且準確地處理數(shù)字信號，同時具備可編程和低功耗等特點，如今在各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

從DSP芯片的發(fā)展歷程不難發(fā)現(xiàn)，從早期理論到前幾代DSP產(chǎn)品應(yīng)用，均由國外巨頭完成。由于早期的市場進入和技術(shù)積累，國外企業(yè)占據(jù)了全球超過70%的市場份額，目前仍由德州儀器（TI）、亞德諾半導體（ADI）、恩智浦（NXP）、意法半導體（ST）等幾家海外大型半導體公司主導。

DSP的發(fā)展相對封閉，既不開源也不采用授權(quán)模式，有著很高的知識產(chǎn)權(quán)壁壘。加上巨頭們的DSP指令集都各不相同且不對外授權(quán)，中國早期DSP芯片幾乎完全依賴進口。以TI為例，在全球DSP市場的份額一度接近 50％，在中國的市場份額更是達到80%左右。

DSP國產(chǎn)替代大幕拉開

中國的DSP芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚，但同時中國也是全球DSP芯片最大的應(yīng)用市場，市場份額大約為45%。 20世紀末至21世紀初，中國多家企事業(yè)單位開始嘗試自主研發(fā)DSP芯片，但因面臨著技術(shù)封鎖和專利限制，以及積累不足、市場接受度低等原因，一度進展緩慢。

2019年以來，隨著貿(mào)易摩擦和地緣政治影響，國內(nèi)對于芯片供應(yīng)鏈安全的重視程度不斷提升。

2020年8月，國務(wù)院印發(fā)的《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》提出，中國要加快高端芯片的自主研發(fā)與國產(chǎn)替代，而DSP與CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理器）、FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）同屬高端芯片“四大件”，其重要性與日俱增，早日國產(chǎn)化刻不容緩。

由于DSP芯片高實時性、高運算性能的特性，成為智能化時代終端產(chǎn)品進行高速實時控制芯片的最佳選擇，市場需求呈快速增長態(tài)勢，也成為推動DSP國產(chǎn)化進程的關(guān)鍵動力。根據(jù)Business Research數(shù)據(jù)，2020年全球DSP芯片市場規(guī)模為33.28億美元，預計到2027年將達到53.707億美元，預測期內(nèi)復合年增長率為6.8%。

據(jù)公開資料統(tǒng)計，2022年中國DSP芯片產(chǎn)量增長至約4755.7萬顆（圖自：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院）

單純依靠國外企業(yè)，已經(jīng)不能滿足國內(nèi)日益增長的需求，不少DSP芯片需求企業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)開始在國內(nèi)尋求供應(yīng)商。同樣，國內(nèi)一批DSP芯片企業(yè)也憑借技術(shù)創(chuàng)新和堅持不懈的努力，逐步打破國外廠商的技術(shù)壟斷。

其中2012年成立的湖南進芯電子，6年間不斷突破技術(shù)壁壘，于2018年正式推出自研DSP進入工控市場，填補了國內(nèi)空白。如今進芯電子已成為國內(nèi)DSP產(chǎn)品線最為豐富的廠商之一，主要用于工業(yè)控制、新能源、電動汽車以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

在國家提出雙碳戰(zhàn)略（碳中和、碳達峰）以及新質(zhì)生產(chǎn)力的政策號召下，更多像進芯電子這樣的國產(chǎn)DSP廠商正從從專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域向電動工具、白色家電等民用場景拓展，并贏得客戶認可。他們的崛起，代表著DSP國產(chǎn)替代的大幕已經(jīng)拉開。

下面我們就從智能家電、工業(yè)自動化和汽車電子這三大領(lǐng)域，看看國產(chǎn)DSP替代的市場容量，以及與國外DSP廠商相比具備哪些優(yōu)勢。

智能家電為何青睞DSP？

90年代后，隨著DSP技術(shù)進一步成熟，芯片成本下降、處理能力增強，DSP開始越來越多被整合進家電產(chǎn)品中。多家知名空調(diào)制造商如三菱電機、松下、大金、美的等，都在不同時間點引入了基于DSP的先進控制方案。

此后，更高效、更環(huán)保的變頻空調(diào)在家用空調(diào)市場中的占比增長明顯，而這部分產(chǎn)品很多采用了DSP控制方案。根據(jù)咨詢機構(gòu)弗若斯特沙利文（Frost & Sullivan）數(shù)據(jù)，2021年中國變頻空調(diào)的產(chǎn)量達到了1.07億臺，同比增長28.4%，2016-2021年間的復合年增長率（CAGR）為22.1%。

預計到2030年，中國節(jié)能變頻空調(diào)的產(chǎn)量將達到3.69億臺，這對于DSP來說是一個廣闊的市場。

變頻空調(diào)的變頻器通常使用特定的微控制器（MCU）或DSP來進行控制，再由變頻器調(diào)節(jié)供給電機電能，進而控制電機運行。這些芯片負責執(zhí)行算法，以實現(xiàn)對壓縮機和其他部件的控制，搭配FPGA（CPLD）、智能功率模塊（IPM）、電源管理芯片（PMIC）和傳感器等，以達到節(jié)能和提高效率的目的。

就不同的控制方案而言，MCU方案主打一個成本低、功耗低、通用性強，更適合成本敏感的消費級產(chǎn)品。DSP的優(yōu)勢則在于專為執(zhí)行復雜的數(shù)學運算和高速數(shù)據(jù)處理而設(shè)計，強大算力能夠快速處理復雜的控制算法，如PID控制、矢量控制算法等，這對于實現(xiàn)精確的電機控制至關(guān)重要。簡單來說，DSP方案控制的變頻空調(diào)無論內(nèi)外機都更柔和、安靜、節(jié)能。

除了滿足空調(diào)變頻化對精細控制的需求，DSP控制方案在處理能力、算法、實時性和精準性上的“高端”特質(zhì)，也令其更符合其他高端家電需要高性能數(shù)字信號處理和復雜控制算法的調(diào)性。

由于采用哈佛架構(gòu)（Havard Structure），DSP還擁有獨立的程序和數(shù)據(jù)總線，能夠同時讀取指令和數(shù)據(jù)，加之其多級流水線并行操作，可以在每個時鐘周期內(nèi)并行處理完成多個操作。ASIC控制方案雖然在特定應(yīng)用中效率極高，但其功能固定，而DSP通過軟件編程即可實現(xiàn)多種復雜功能，為系統(tǒng)設(shè)計提供了高度的靈活性和可擴展性，如PID控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等，易于適應(yīng)控制策略的變化和升級。例如高速吹風筒的0速閉環(huán)啟動方式更加可靠平順，快速啟停運行平穩(wěn)噪聲小，關(guān)鍵點就在于靈活的控制。

在信號實時處理上，DSP優(yōu)勢也很明顯。它們通常針對信號處理任務(wù)進行硬件層面的優(yōu)化，內(nèi)置如快速傅里葉變換（FFT）、濾波算法等專用指令集，適合處理電機控制中常見的噪聲過濾、信號平滑等任務(wù)?？焖僦袛嗵幚砗偷脱舆t的特性，確保了對電機狀態(tài)變化的即時響應(yīng)，這對于保證變頻器的穩(wěn)定性和動態(tài)性能非常關(guān)鍵。例如變頻洗衣機、電鉆在運作過程中檢測到異物，可以及時反饋電機狀況并進行中斷操作。

更為難得的是DSP通常支持C/C++等高級語言編程，降低了開發(fā)難度，加快了開發(fā)周期，并且使得軟件復用成為可能。比如高度定制化且需要頻繁更新軟件的智能家電，如智能冰箱、智能洗衣機等，可以利用軟件復用減少開發(fā)時間和成本。

實現(xiàn)精確工業(yè)控制的關(guān)鍵

根據(jù)Frost & Sullivan數(shù)據(jù)，2023年全球工業(yè)電子市場規(guī)模在達4807.3億美元340；預計到2024年將增長至5095.9億美元。中國市場方面，2023年工業(yè)自動化市場規(guī)模達3115億元人民幣；預計2024年將增長至3531億元人民幣。

雖然DSP在這個龐大的工業(yè)市場中僅占一小部分，但它對于實現(xiàn)高精度控制至關(guān)重要。

早期DSP在工業(yè)中的應(yīng)用，主要集中在提高工業(yè)設(shè)備的控制精度和響應(yīng)速度，例如在電機控制、電力電子變換、運動控制、過程控制等領(lǐng)域。DSP芯片能夠?qū)崟r處理復雜的控制算法，實現(xiàn)精準的閉環(huán)控制，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

在現(xiàn)在工業(yè)自動化應(yīng)用中，DSP芯片的應(yīng)用更加廣泛了。在變頻器、伺服驅(qū)動器等應(yīng)用中，相比傳統(tǒng)MCU方案能實現(xiàn)更精確、更快的電機速度控制、轉(zhuǎn)矩控制及能量優(yōu)化。例如用于電梯門控器和曳引機等場景，可以保障電梯穩(wěn)定、高效運行；在地鐵門控制中，采用DSP全數(shù)字控制技術(shù)的電子門控器，可集成車門的控制、監(jiān)測、診斷、自學習和網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，保障車輛運營安全。

在自動化生產(chǎn)線、機器人控制中，DSP負責處理傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精確的定位控制和路徑規(guī)劃。以常見的機械臂拿取控制為例，具有硬件浮點單元的DSP可以高效執(zhí)行浮點運算，對于涉及大量乘法和除法的數(shù)學運算尤為有利，能夠精確控制電機轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)，減少電流波動和機械振動，從而降低運行噪音、克服抖動問題。

在電力轉(zhuǎn)換和電源管理領(lǐng)域，DSP能夠迅速執(zhí)行復雜的算法，優(yōu)化電力電子變換過程。此外，它還助力于設(shè)備運營狀態(tài)的實時監(jiān)控，通過組網(wǎng)實現(xiàn)效率和可靠性的雙重提升。當下，數(shù)字電源技術(shù)正逐漸取代傳統(tǒng)的模擬電源技術(shù)，DSP可以實現(xiàn)更靈活的電源管理策略和更精確的電流、電壓控制。

此外在可再生能源應(yīng)用中，DSP主要用于光伏逆變器，有效將光伏板發(fā)出的直流電，逆變成電網(wǎng)可接受的交流電，離網(wǎng)應(yīng)用助力用戶“節(jié)省日常電費”，并網(wǎng)應(yīng)用助力電網(wǎng)用電深層用電結(jié)構(gòu)調(diào)整。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)、工業(yè)4.0等概念的興起，DSP在邊緣計算、大數(shù)據(jù)處理和實時決策支持等方面的作用更加凸顯，國產(chǎn)DSP也越來越多得到業(yè)界的認可，為實現(xiàn)更高級別的智能工廠和預測性維護等應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

汽車電氣化為DSP帶來大量機會

汽車領(lǐng)域也是DSP的主戰(zhàn)場，從傳統(tǒng)燃油車時代起，DSP就在發(fā)動機控制單元、變速箱控制、安全系統(tǒng)等方面發(fā)揮作用。隨著汽車的電動化、電氣化和智能化轉(zhuǎn)型，DSP在汽車電子系統(tǒng)中可以進行實時的采集外部信號、實現(xiàn)復雜電機計算和相應(yīng)控制，一輛新能源車中的DSP“含量”可高達幾十顆。

例如在動力域控制方面，DSP在電機控制單元中用于接收車輛控制單元（VCU）的車輛行駛控制指令，控制動力電機輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動車輛行駛并實現(xiàn)制動動能回饋。此外還可以用于實現(xiàn)對主電機、直流電壓轉(zhuǎn)換DC-DC、車載充電機OBC的控制。

車身域控制方面，DSP用于控制汽車門窗、燈光、雨刮、電動座椅、空調(diào)等，以及與車內(nèi)駕乘體驗相關(guān)的應(yīng)用，確保汽車系統(tǒng)的安全與舒適。例如在電動座椅上，通過電機結(jié)合減速機構(gòu)實現(xiàn)前后、高度、靠背角度、背托等調(diào)整；在玻璃升降上，通過電機結(jié)合減速機構(gòu)實現(xiàn)側(cè)擋、天窗的開合，擁有堵轉(zhuǎn)檢測、防夾設(shè)計等。

在新能源汽車上，熱管理系統(tǒng)也是DSP應(yīng)用的重要一環(huán)。熱管理系統(tǒng)往往需要執(zhí)行復雜的控制算法，如PID控制、模型預測控制（MPC）等，來實現(xiàn)高效的熱能管理。DSP能夠快速并行處理從各種傳感器（如溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等）收集到的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)實時調(diào)整熱管理系統(tǒng)中的各種組件（如冷卻泵、風扇、熱交換器、熱泵等）的工作狀態(tài)，以保持電池包、電機、電控單元等關(guān)鍵部件在最佳工作溫度范圍內(nèi)。

隨著熱管理系統(tǒng)向集成化、智能化發(fā)展，DSP還參與到系統(tǒng)整體的優(yōu)化中，例如通過算法優(yōu)化熱泵的工作模式，提高能效比；或是在熱管理系統(tǒng)與車輛其他子系統(tǒng)之間進行協(xié)調(diào)，如根據(jù)車輛行駛狀態(tài)、環(huán)境條件動態(tài)調(diào)整熱管理策略。

除了上述幾個重點領(lǐng)域，DSP在車載充電器(OBC)和直流/直流電源控制、汽車牽引電機控制、電池管理系統(tǒng)（BMS）上都有大量應(yīng)用。

根據(jù)調(diào)研機構(gòu)數(shù)據(jù)，預計到2025年，乘用車汽車電子成本在整車成本中的占比將達到60%，在純電動車型成本占比甚至有望達到65%。隨著新能源汽車產(chǎn)銷量的快速增長，對汽車電子的需求也將持續(xù)增加，特別是車用DSP芯片作為實現(xiàn)復雜數(shù)字信號處理的核心部件，將在汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的趨勢中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

國產(chǎn)DSP的競爭力如何？

廣闊的新興應(yīng)用領(lǐng)域，和巨大的市場容量，能否讓DSP成為高端芯片“四大件”中率先實現(xiàn)國產(chǎn)替代的？可以說優(yōu)勢與挑戰(zhàn)并存。

先看優(yōu)勢部分：

– 成本與價格：國產(chǎn)DSP芯片在成本控制上通常更具優(yōu)勢，在同等價格下能提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，這在大規(guī)模應(yīng)用中尤為重要，能夠幫助終端產(chǎn)品保持競爭力。

– 定制化服務(wù)：國內(nèi)廠家能夠提供更為快速的響應(yīng)和定制化服務(wù)，針對特定行業(yè)或客戶需求，進行靈活的設(shè)計與優(yōu)化，比如在家居、工控和汽車領(lǐng)域，可以根據(jù)應(yīng)用場景進行深度定制。

– 集成度和算力提升：相比國外廠商采用90或65nm工藝，國產(chǎn)DSP芯片已經(jīng)開始采用40nm工藝，不斷追求多核異構(gòu)設(shè)計、更高主頻和更高集成度，如將驅(qū)動器、電源、通訊接口等外設(shè)集成在單一芯片上，減少了系統(tǒng)復雜度、PCB占板面積和總體成本，提高了系統(tǒng)性能。

– 實時控制與精確性：部分國產(chǎn)DSP已擁有自己的“長板”，例如湖南進芯在實時控制和精確性方面表現(xiàn)突出，適用于需要快速反應(yīng)和精確控制的場景，如機械臂控制、汽車動力系統(tǒng)和家電的變頻控制，能夠提供更平滑、低噪聲的用戶體驗。

– 市場適應(yīng)性：針對國內(nèi)市場的特定需求，如新能源汽車的電池管理、智能家電的節(jié)能化等，國產(chǎn)DSP芯片能夠更好地適應(yīng)市場變化，滿足快速發(fā)展的行業(yè)需求。

再看存在的挑戰(zhàn)：

– 技術(shù)差距：盡管國產(chǎn)DSP技術(shù)在快速進步，但與國際領(lǐng)先水平相比，在某些高端應(yīng)用領(lǐng)域，如高性能計算、尖端科研設(shè)備等，仍存在技術(shù)差距，需要持續(xù)研發(fā)投入追趕。

– 生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建：國外DSP芯片已建立了成熟的生態(tài)系統(tǒng)，包括開發(fā)工具、軟件庫、技術(shù)支持等，國產(chǎn)DSP芯片需要建立和完善自己的生態(tài)系統(tǒng)，吸引開發(fā)者和合作伙伴，提升整體解決方案的競爭力。

– 市場認可度：改變用戶習慣和信任度是一個長期過程，國產(chǎn)DSP芯片需要通過長期穩(wěn)定的性能表現(xiàn)和成功案例來逐步建立市場信譽，尤其是在對穩(wěn)定性要求極高的工業(yè)和汽車領(lǐng)域。

– 供應(yīng)鏈穩(wěn)定性：在全球化背景下，供應(yīng)鏈安全是重要挑戰(zhàn)，國產(chǎn)化替代需要保障原材料供應(yīng)、制造工藝等環(huán)節(jié)的穩(wěn)定可靠，減少外部因素的干擾。

– 國際競爭：面對國際市場上成熟且強大的競爭對手，國產(chǎn)DSP芯片需要不斷創(chuàng)新，提升產(chǎn)品競爭力，同時開拓國際市場，參與全球化競爭。

綜合來看，國產(chǎn)DSP芯片在替代進程中展現(xiàn)出明顯的成本、定制化服務(wù)優(yōu)勢，在特定領(lǐng)域甚至實現(xiàn)了性能上的優(yōu)勢，但同時也面臨著技術(shù)追趕、生態(tài)建設(shè)、市場認可度提升等挑戰(zhàn)，需要持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和市場拓展策略。

產(chǎn)業(yè)鏈共促DSP國產(chǎn)化

近年來，我們常常聽到各類芯片要實現(xiàn)國產(chǎn)替代的口號，但其實國產(chǎn)替代從不來都不是只靠芯片行業(yè)本身就能實現(xiàn)的。國產(chǎn)化進程更大程度上需要依賴產(chǎn)業(yè)鏈上所有參與者的共同努力，因為這不僅涉及到單個環(huán)節(jié)的成本和性能優(yōu)化，還關(guān)系到整個國家在全球半導體產(chǎn)業(yè)中的競爭力和自主可控能力。

上游方面，DSP芯片設(shè)計企業(yè)需要與原材料供應(yīng)商、晶圓代工廠、封裝測試企業(yè)等協(xié)同工作，共同提升產(chǎn)品的性能和可靠性。下游方面，國內(nèi)終端廠商要更主動地優(yōu)先采用國產(chǎn)芯片，他們反饋的實際應(yīng)用需求將直接推動芯片廠商進行技術(shù)迭代和產(chǎn)品優(yōu)化。

無論對于DSP還是其他芯片類別，這種基于實際應(yīng)用場景的迭代，能夠更精準地解決行業(yè)痛點，促進國產(chǎn)技術(shù)快速成熟。這不但能打破國外芯片巨頭的市場壟斷，增強產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控能力，還能提高國內(nèi)半導體企業(yè)的議價能力和市場地位。

以體量最大的家電行業(yè)為例，對于格力、美的、海信、海爾等本土家電巨頭來說，提高國產(chǎn)芯片的使用比例，不但可以減少對外部芯片的依賴，還能實現(xiàn)成本的降低。更重要的是，這些龍頭企業(yè)的實踐還能激發(fā)其他家電廠商對國產(chǎn)芯片的信任和采用意愿，形成了良好的示范效應(yīng)。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球DSP芯片市場規(guī)模約為1000億美金，而在中國市場規(guī)模約為160到170億人民幣，在國內(nèi)的通信、音視頻和實時電機控制應(yīng)用領(lǐng)域保持高速增長。

曾經(jīng)，工業(yè)、消費、汽車等領(lǐng)域的DSP供應(yīng)被國外芯片巨頭壟斷；如今，大量國產(chǎn)替代方案正涌現(xiàn)出來。進芯電子等本土企業(yè)依托新興市場容量的擴大，在技術(shù)上積極突破和創(chuàng)新，增強了國內(nèi)相關(guān)供應(yīng)鏈的自主可控能力，大大提升了本土DSP產(chǎn)品競爭力和市場份額。相信未來中國的DSP芯片產(chǎn)業(yè)，會像中國的航天、核電、高鐵產(chǎn)業(yè)一樣，一步步走到國際化舞臺的更前列，釋放出熠熠光輝。