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“魂芯一号” ——高性能通用数字信号处理器

2015-10-21

数字信号处理是提升信息化装备性能的主要手段,针对数字信号处理实现开发的通用DSP处理器,具有算法实现效率高、性能强、功耗低、开发方便等特点,现已广泛应用于雷达、声纳、火控、导弹精确制导、卫星载荷控制、对地观察、保密通信与电子对抗、软件无线电等系统中,成为我国军用元器件的重要核心处理器之一。当前我国高端信号处理设备基本上全部采用国外厂商提供的DSP器件(例如ADI公司的TS201)构成,存在严重的国防安全隐患,迫切需要研制全自主高性能通用数字信号处理器,彻底摆脱对国外产品的依赖,实现关键元器件的完全国产化,保障装备供给。

2006年初,中国电子科技集团提出研制一款自主DSP处理器,其性能超过当时市场浮点最高水准的DSP处理器TS201,并将这个任务交给中国电科第38研究所。为了完成这项任务,中国电科38所于2007年3月专门成立集成电路设计中心,从事信号处理器件的研发工作,2009年这项工作又得到工信部“核高基”重大专项的大力支持,从体系架构到指令体系及处理器软件开发环境,均从头起步,根据实际产品反馈的意见反复修改,不断验证和调整,历时六年完成设计和验证,一次流片成功,2011年5月,自主高性能“魂芯一号”完成研制并通过验收。“魂芯一号”研制成功标志着我国拥有实用化的从指令集、体系结构、设计实现到配套软硬件开发环境完全自主创新的高性能通用DSP处理器。自主处理器由于生态环境还处于初始状态,在实际应用过程中还存在很多的困难,但在中国电科集团和38所领导以及广大员工的大力支持下,“魂芯一号”成功在军、民两个领域都得到很好的应用,受到了相关领域用户的高度肯定。“魂芯一号”作为高性能自主处理器,其一出现就受到国内外广泛关注,被评为2011年安徽省信息化十件大事信息化创新产品,2013年,“魂芯一号”荣获中国电子信息博览会“2013 CITE创新产品与应用奖”、2013年安徽省重点新产品;2014年“魂芯一号”荣获国防科技进步二等奖;前不久,“魂芯一号”再度闪耀国防科技工业军民融合发展成果展,并获得首届“国防科技工业军民融合发展技术创新奖”。

一、取得的成果

通过“高性能通用数字信号处理器”项目的实施,取得了通用DSP器件、软件开发环境、知识产权、企业产品规范等一批技术成果。采用EfficiencyCore技术的BWDSP100处理器具有强大的运算能力,其运算性能可达到TS201的46倍。项目成果从指令集、体系结构到设计实现均完全自主,不存在知识产权风险。该器件的研制成功,不但全面突破了高性能通用DSP器件研制一系列技术瓶颈,也在很大程度上缓解了我国在高端通用数字信号处理方面全部依赖国外器件的局面,为我国重大装备实现跨越式发展提供了必要的基础条件。

在C编译器的研制方面,已经完成“魂芯一号” C编译器研制工作。由调研开源的OpenImpact入手,项目组对其进行了深度分析与研究。针对“魂芯一号”高性能数字信号处理器的特点,从无到有,对该开源编译器基础设施进行了有效扩展,添加了多项编译新功能,逐渐突破并掌握了若干核心关键技术,包括Pcode中间语言的生成与转换、嵌入式汇编、stabs格式调试信息生成、指令分簇、SIMD指令识别与生成以及section/bank/align等编译指示设计。

通过该项目的实施,完成了6大技术平台建设,分别是:高性能DSP前端设计平台,用于功能设计;自动化软硬件仿真验证平台,用于功能验证;高性能DSP后端物理设计平台,用于布局布线、时序分析、功耗分析、可测性设计、signoff等后端物理设计;软件开发平台,用于DSP器件的应用开发,包括汇编器、链接器、反汇编器、调试器、工程管理器等模块;测试与应用验证平台,包括功能测试、性能测试、可靠性测试等测试环境以及信号处理芯片应用验证设备;建立了面向VLIW的多簇C编译器设计框架,以该框架为基础,自主研发了高性能通用数字信号处理器BWDSP100SP30I配套的高级语言C编译器,提升了基于国产高性能通用数字信号处理器的软件开发效率,并可加速基于国产高性能通用数字信号处理器的应用与推广。

二、主要创新点

1.提出并实现了16条指令并行发射、60个运算单元分为4簇的VLIW+SIMD体系架构;创立了以复数运算/向量运算为特征的指令体系,包括矩阵寻址、块浮点等,保证了器件实际运行的高效率。

2.基于并行16发射、4簇处理器架构,综合应用了分簇、向量化、软件流水等技术,实现了自主高性能并行优化编译器。

3.提出一种双向同步自适应时钟技术,JTAG信号传输速率可随目标芯片动态调整,实现仿真器与目标芯片间信号的稳定可靠传输。

4.基于正交分解的覆盖率驱动的自动化验证方法,建立了C模型、编译环境和设计代码三位一体的验证平台,保证了硬件设计和软件环境一致性和有效性,确保设计一次成功。

5.采用了一种trunk+tree的时钟树实现方法,时钟偏移仅为0.15ns;综合运用高层次综合、power分析、FLIPCHIP封装等技术,使器件面积降低近60%,电压降改善了近3倍,保证了器件可靠性。

三、产业化及应用情况

“魂芯一号”可广泛应用于雷达、电子对抗、精确制导武器、通信等高性能计算的信号处理领域。该处理器采用了高效的体系结构和指令集以满足运算密集型领域的要求。

在军工领域,由于“魂芯一号”器件具有强大的处理性能,在我国多型雷达、对抗等骨干武器装备上已得到广泛应用。与原先使用同类进口器件的系统相比,DSP芯片使用数量减少了50%,综合功耗下降了25%,处理板卡首次调试故障率降低了15%,充分体现了自主可控核心元器件的支撑作用和价值。

在民用和科研领域,中国电科38所通过与国内多家单位合作,已成功将“魂芯一号”应用到气象雷达、机器视觉、视频检测、自动控制和仪器仪表等产品上,在大幅减少产品成本的同时显著提高了其性能,受到了业界的高度肯定。

项目完成单位简介

中国电子科技集团第三十八研究所(以下简称38所),1965年建于贵州,1988年底整体迁建合肥市,现有员工6800余人,是国家一类研究所。拥有国家级集成电路设计中心、电磁波空间应用国际联合研究中心、俄罗斯新技术研发中心、中国电科浮空平台研发中心、安徽省公共安全应急信息技术重点实验室、安徽省北斗卫星导航重点实验室、智能传感系统工程实验室、汽车电子工程研究中心和两个博士后科研工作站等产学研科技创新平台。建所以来,共取得科技成果近1600项,获国家、省部级科技进步奖137项,多项成果填补国内空白或居于国际领先地位。培养了王小谟、吴曼青两名中国工程院院士,其中第四任所长王小谟院士为2013年国家最高科学技术奖获得者。目前,38所拥有安徽四创电子股份有限公司、安徽博微长安电子有限公司、博微广成电子有限公司、华耀电子工业有限公司、中日合资华耀田村股份公司五家产业化公司。

38所高度关注国防安全与公共安全,确立预警探测、对地观测、浮空平台、信息对抗、测控通信、集成电路、公共安全七大发展领域,未来将继续立足自主创新,加快科研成果的产业转化,深化体制变革,加快机制创新,努力把38所建设成为一个自主创新、装备供给、民品产业三大板块协调发展的研究产业衔接、军品民品互动、事业企业一体的“组织轻型、执行有力、文化鲜活、人才聚合”的世界一流研究所。