DSP之蛻變與重生

本文作者:admin       點擊: 2009-03-17 00:00
前言:
前言
早期人們對DSP的印象,多停留在手機「數位基頻處理器」負責數位訊號與資料處理的傳統通用型(General Purpose)元件,隨著多媒體與網路應用環境的漸趨成熟,帶動DSP於近來快速走出手機應用,衍生出更多樣化且具更強「數位訊號處理」功能的產品形態,進而形成「整合RSIC CPU的Application Processor」、「多核心平行處理器」、「FPGA可編程DSP平台」….等新形式之解決方案。更有甚者,原本專注於「程式控制最佳化」工作的MCU,在進入32位元領域後,也開始搭配通用型微處理器核心而開始擁有訊號處理能力。

整體而言,雖然通用型(General Purpose)DSP市場在2008年有走緩現象,但上述功能更強的整合型DSP,卻以更積極的姿態展開蛻變與重生。

有鑑於此,以下將以整合型DSP為探討重點,分析其應用市場走向、產品技術趨勢、與晶片供應商因應時代變局所擬訂的各項營運策略。

DSP晶片應用市場與產品技術趨勢

(一)手持式裝置應用:低價/功能手機邁入殺戮戰場 智慧手機成兵家必爭之地
繼2007年底ADI出售手機晶片部門後,同為手機DSP大廠的TI也在2008年底投下另一顆市場震撼彈,宣佈出售手機基頻晶片部門,前述Top2業者2007年DSP全球市佔率超過5成,但經濟規模並非市場勝利保證,2007、2008年除經濟衰退導致的需求不振外,兩大巨擘未能在3G規格技術取得主導地位,且2G/2.5G競爭者眾帶動基頻晶片ASP快速下滑影響獲利,才是迫使兩大業者棄守中低階手機戰場的真正原因。

在金融海嘯襲擊下,前五大手機品牌業者在2008年下半相繼發佈出貨下滑與獲利預警訊息,總計2008年全球手機出貨約11.8億支,低於原先預期的12億支以上規模,目前多數代表性研究機構皆悲觀預期2009年全球出貨會進一步衰退至11億支以下。

所幸手機並非呈現全面性衰退,其中的智慧型手機,透過技術變革、軟體應用環境開放、內容服務營運模式創新,成為支撐市場不致崩盤的重要力量;雖然目前該產品佔據手機總出貨比重不過12%~15%(1.4~1.8億支),但鑑於其搭載OS之特性、產品創新下的訂價優勢、及對效能品質的高度要求,可望成為Application Processor未來重要的應用出路之一。
    
目前以「RSIC CPU Core + DSP」的雙核心形態搭載至智慧型手機已是主流解決方案,然隨著往後Smart Phone整合Mobile TV、HD Broadcasting、WiMax/LTE/HSUPA、Camcorder、Credit Card、USB3.0、PCI-Express2.0…等更多新標準功能,終端產品也必須能夠支援更多元的影音編解碼格式(H.264、VC1…Multiple A/V Format),屆時勢必對效能、操作頻率、功率消耗的綜合表現要求更高超之水準,此一功能規格要求也將順勢帶動行動嵌入式系統由雙核心(Dual Core)轉向多核心(Multi-Core)技術發展,以滿足各項成本效能指標的平衡與最佳化。

智慧型手機用處理器除因應各種強大功能需求逐步走向多核心外,為能滿足各項OS運作所需,軟體的Effort也勢必逐步加重,屆時DSP也有可能開始搭配FPGA,形成一可重複配置的平台化解決方案。

整體而言,上述整合型DSP方案,預計在未來5年技術內涵可望逐漸邁向成熟化,並由智慧型手機領軍,驅動PND、Mobile TV enabled PMP、Handheld Game Device、MID、Digital Camcorder、Digital Photo Frame…等超過10億台的手持式裝置商機。

(二)消費電子應用迅速抬頭
根據Forward Concepts資料統計,2008年Q3 DSP總出貨量相較去年同期下降10%,但消費電子用DSP卻較上季成長20%,2008年Q4也維持了類似的市場情勢,凸顯無線通訊最大的中低階手機市場走緩之後,網路電視、STB、藍光DVD、VoIP Phone、Media Adapter(Center)、Home Theater…等數位家電市場正快速抬頭,

在此趨勢下,預計也將帶動各類廠商加速數位家電用DSP之產品技術佈局,以下將分為TI、ADI、Freescale…等原手機DSP大廠、二線業者、FPGA業者三個區塊逐一探討:

1.原手機DSP大廠
    以TI為例,其採用DaVinci平台視訊加速器的OMAP35x應用處理器,在整合ARM Cortex-A8架構下可處理1080x720的HD解析度、執行Windows Embedded CE與Linux OS、並加快網路瀏覽應用功能之操作速度,極適合「家庭自動化」與「網路家電」應用產品;此外,該公司之TMS320C64+DSP核心所提供的彈性化語音方案也頗適用於「IP Phone」;最後,該公司也鎖定「家庭監控系統」推出具智慧辨識功能的DSP解決方案,將網路家電、IP Phone、家用IP Surveillance串成一個「數位家庭娛樂/安全應用」完整方案。

至於ADI,也鎖定數位家庭應用推出「Blackfin + HDMI」整合方案,此一解決方案係以一顆Blackfin DSP加三款用於視訊與HDMI連接的先進電視晶片,整合到Yamaha公司的家庭劇院設備,透過開發杜比數位解碼器、DTS解碼器、及具HDCP HDMI中繼功能之相關軟體,以實現家庭劇院設備的互通與聯網。

此外,隨著Wireless HD Video傳送應用邁入商用化,ADI也推出一對應無線參考設計方案,供日立所展示的無線超薄HDTV產品所使用。最後,該公司的Blackfin處理器也提供給Fishman公司做為提升家用吉他錄音品質所用。

位居DSP第三大廠的Freescale,在2008年第三季也針對立體聲數位電視、家庭劇院推出了內建杜比音量(Dolby Volume)技術的Symphony DSP系列產品線,使消費者可透過Dolby Volume技術設定一參考音量標準,而不用面對頻道切換時音量劇變的困擾。

第四大DSP業者東芝,則選擇與IP Vendor ARC延續共同開發「可組態多重處理器」的合作關係,由ARC授權東芝「可組態工具」進行SoC設計,共同拓展在消費電子的市場優勢。

另一日系半導體業者瑞薩,也在2008年第三季末分別推出新一代SH-Mobile系列的「多媒體應用處理器」,可支援各種影音格式及高畫質應用。

2.二線業者
除上述一線業者之外,另有不少二線廠商也開始積極搶攻DSP的消費電子應用。

首先,位居二線數位家電DSP代表業者的SigmaDesign,2008年以其提供的「SMP8644多媒體處理器」在IPTV、IP STB、藍光DVD等數位家電攻城掠地,此一處理器整合了MIPS的多種處理器核心,可兼顧效能與安全表現。

其次,CEV公司在2009年初推出了超低功耗HD音訊單核心DSP產品「CEVA-HD-Audio」,此一方案是以可編程方式,藉由550MHz的32位元CEVA-TeakLite-Ⅲ DSP核心為基礎,透過調整音訊演算法和各種編解碼串流確保音訊系統品質,該方案可以滿足各項DTV、STB、藍光DVD…等家用影音串流收發設備需求,並支援各項Audio/Video格式。

再者,日系業者新日本無線(NJR),也在2008年底推出與Freescale相同內建杜比音量(Dolby Volume)技術的DSP核心,並廣泛應用在DTV的前置環場音效系統,落實家庭劇院的高影音品質享受。

最後,以色列IC設計公司Waves Audio,在2008年第三季推出了兩款單晶片數位訊號處理器「MX5000」與「MX3000」,可提供消費性PC更佳的音樂、電影與廣播播放效果。

3.FPGA廠商
由於FPGA具備「高度平行處理」與「低功耗」等功能優勢,並可提供比DSP更高的資料吞吐量及數據處理能力,因此近來Xilinx、Altera…等代表業者已相繼推出各項解決方案,使FPGA在極低功耗下仍可提供可編程的DSP功能,獲得了市場相當程度的正面迴響。

以Xilinx為例,其2008年初所推出之Spartan-3A DSP,即整合了126個DSP 48A Slice,且能在250MHz頻率下提供超過30GMAC/s的DSP性能,較一般DSP性能上限的5GMAC/s效能優越許多。該公司也在2008年中進一步推出採65奈米製程的Virtex-5 SXT FPGA平台,此一平台針對DSP新增了最佳化的Virtex-5 SXT240T元件,具備高達528GMAC/s的乘法累加性能與超過190 GFLOPS單精密度浮點DSP性能,適合數位家電的廣播視訊應用。

至於另一大廠Altera,則在2008年第三季推出第二代模型合成技術之DSP Builder工具版本8.0,該技術使DSP設計人員可自動產生採用高階Simulink設計描述架構的時序最佳化RTL程式碼,使Designer可在幾分鐘內實現接近峰值FPGA性能的設計。

(三)醫療、服務機器人前瞻應用商機誘人
除了「手持式裝置」與「家用消費電子」兩大主流應用之外,DSP另兩塊重要的潛力應用市場為「醫療」與「服務型機器人」。

醫療方面,除了因應預防醫學風潮的隨身診療裝置應用外,隨著未來無線寬頻連結所帶動的病歷數位化趨勢,也可望激起更多通訊基礎建設(如基地台)對DSP的需求。目前已有歐洲研究機構看好醫療應用前景,而在2008年底研發出一客製化超低功耗DSP,以支援各種無線感測網路節點的方式,形成一人體區域網路健康監測系統,依據人體的心跳、呼吸頻率與體溫來監測健康狀況;此一系統方案除朝向功耗更低、且方便穿戴的目標邁進,也吸引TI、NXP…等大廠加入研發行列。

機器人部份,依據ABI Research統計,未來個人式Robot應用元件產值將於2012年達到120億美元水準,其中又以DSP佔大宗,主要係滿足機器人邁向智慧化需求,而有整合DSP與FPGA之應用方案產生。

DSP晶片供應商策略行為
金融海嘯來勢洶洶,使市場面臨全面性需求衰退,在此嚴峻環境下,維持「健全財務體質」與「良好成本管控能力」成了決定晶片業者能否渡過寒冬的關鍵要素。以前三大DSP業者TI、ADI、Freescale來觀察,其在營運層面或多或少都面臨了不同程度的挑戰,為能有效因應變局,三大業者也各自提出策略以期扭轉局勢。

(一) TI策略:淡出通用型DSP領域、加重佈局「應用處理器」與「32位元MCU」
以TI為例,過去引以自豪的S/W + Brand勝利方程式(DSP軟體可調整性+NOKIA品牌價值),在「客戶擴大採購來源分散風險策略」、「中低階手機晶片競爭者眾」、「山寨機崛起」的產業生態變化下,明顯遇到了營運瓶頸;加上該公司在先進製程的投資力有未逮,除了導致晶圓專工廠後來居上,也讓更多對手在成本/效能展現拉近與自身的距離,使該公司遭受到前所未有的挑戰。

為能因應變局,該公司主要策略有四:一、淡出傳統通用型DSP領域、並加重佈局應用處理器及32位元MCU,藉此擴大主流應用市場構面。二、集中資源在設計端的研發投入,在市況不佳時加重佈局高附加價值之前瞻應用技術(醫療、工業、安全、機器人),以便在下一波賽局重新取回主導權。三、確保軟體研發能量,留住關鍵人才、精簡次要人力,避免因人員流失使對手坐大。四、加速資產減輕速度,在下階段先進製程與晶圓專工廠展開更緊密合作。

(二)ADI策略:整合「DSP」與「類比半導體」能量
ADI與TI的處境頗為類似(同採資產減輕化、同樣在DSP與類比元件居市場領導地位),不同的是,該公司斷尾求生的魄力與速度皆較TI略勝一疇,於2007年放棄手機晶片部門後,便展現雄心整合「DSP」與「類比半導體」能量使產品效益極大化。由該公司推出Blackfin+HDMI解決方案,企圖開闢另一Wireless HD Video高附加價值市場,便可以窺見該公司在產品規劃與營運走向背後的策略思考。

(三)Freescale策略:分散產品應用來源
相對之下,第三大業者Freescale在「應用處理器」能量與基礎和TI旗鼓相當(早在PDA風行時代即已引領風騷),且同樣因過度依賴單一客戶使手機DSP承擔過高風險。

但不同的是,該公司雖與TI同樣同時佈局DSP與32位元MCU,但因MCU研發投入及應用選擇紮根較深(鎖定汽車為主要應用),故在DSP衰退之際,其分散產品組合以避險的效益就明顯高過TI(2007年Freescale32位元MCU營收市佔率19%位列第二,為TI的2.5倍)。

整體而言,Freescale在通用型DSP部份已開始追隨ADI、TI腳步淡出相關領域,未來產品策略預計將採類似TI「應用處理器」與「32位元MCU」雙軌併行方式,並透過分散應用來源做法,以免過度傾向單一產品背負過大市場風險。

但目前該公司最大的隱憂,來自於其背後的私募基金,在金融風暴重創基金投資報酬率的前提下,該公司後續研發投入能否穩定持久仍是未定之天。

(四)共通性策略:加速取得訊號處理IP、提升解決方案整體價值
目前與通用型RSIC CPU整合形成的「雙核心/多核心」方案已逐步邁向主流,DSP IP供應商近來也開始加速整併腳步,主因在於通用型DSP技術與應用市場已漸趨成熟,進行技術授權(License)的需求降低,自然導致後續可能衍生的權利金(Royalty)收入也連帶同步衰退,以VeriSilicon 2007年來自DSP Core的授權金收入較去年同期下降28%,且2008年進一步惡化便足以說明。

相對之下,另一偏重影音處理功能的整合型DSP IP block(如A/V CODEC、DSP Sub-system)在近來產值呈現快速成長,2007年該產品產值已僅次於MPU IP及Analog Mixed Signal IP位居第三大IP產品,此一產品的成長也明顯呼應了前述DSP功能與應用逐漸產生質變之現象。

由此觀之,對於現有DSP晶片商或後進者而言,為能因應終端應用之多元化需求、提高產品整合程度/上市速度、降低成本對抗低迷景氣,及早取得具應用價值的「訊號處理IP」授權提升產品競爭力,便成為有意快速進入DSP領域的後進者、或打算在該領域建立競爭障礙的領導業者所思考採行的共通性策略之一。

結論
經由上述,對照台灣在訊號控制/處理晶片的發展歷程,可發現國內業者早期多是由純硬體導向的影像壓縮/解壓縮晶片、4/8位元MCU起家,進而在中低階消費電子領域建立起自己的一片天地。

然如前所述,隨著數位匯流趨勢的確立,網路多媒體逐步合流,未來3C產品對影音處理的效能/功耗/多功運作要求只會愈來愈高,過去純硬體的影音壓縮處理晶片、MCU將逐漸不敷市場所需,而僅能固守在新興市場的中低階產品領域。而在金融海嘯未退潮前,可以預見終端產品M型化的趨勢將更加明顯,或許盤據低階產品能在經濟規模取得一定優勢,但終不免要落入永無止境的殺價競爭。

因此,所謂的危機入市,主要的精神,應在於在總體市況環境欠佳下,更要加重對下階段高附加價值產品的投入比重,特別是彈性化、智慧化的解決方案,如此在景氣回溫之時,才有可能因勢利導,加快產業轉型與升級速度。

而就國內業者近來產品技術發展來觀察,於DSP/MCU產品性價比與區域市場佈局上,其努力之方向並未偏離目標太多,甚至有漸入佳境之勢(研發機構投入DSP研發並順利進行初步技轉商品化、業者轉往中高階MCU發展)。惟所較欠缺的部份,在於危機時大膽佈局下階段價值產品應用的魄力,魄力並非意指不顧風險,而是經過審慎評估之後進行最有效的資源配置,一旦分配的資源放對位置,相信在景氣回暖之後,便是我國DSP/MCU產業再次躍進之時。

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