DSP应用市场的大蛋糕,国产厂商能吃下多少?

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DSP是数字信号处理器(Digital Signal Processor)的简称,是一种专门用于高速数学运算的微处理器。DSP能够快速且准确地处理数字信号,同时具备可编程和低功耗等特点,如今在各个领域发挥着越来越重要的作用。

(图自:智研产业百科)

从DSP芯片的发展历程不难发现,从早期理论到前几代DSP产品应用,均由国外巨头完成。由于早期的市场进入和技术积累,国外企业占据了全球超过70%的市场份额,目前仍由德州仪器(TI)、亚德诺半导体(ADI)、恩智浦(NXP)、意法半导体(ST)等几家海外大型半导体公司主导。

DSP的发展相对封闭,既不开源也不采用授权模式,有着很高的知识产权壁垒。加上巨头们的DSP指令集都各不相同且不对外授权,中国早期DSP芯片几乎完全依赖进口。以TI为例,在全球DSP市场的份额一度接近 50%,在中国的市场份额更是达到80%左右。

DSP国产替代大幕拉开

中国的DSP芯片产业起步较晚,但同时中国也是全球DSP芯片最大的应用市场,市场份额大约为45%。 20世纪末至21世纪初,中国多家企事业单位开始尝试自主研发DSP芯片,但因面临着技术封锁和专利限制,以及积累不足、市场接受度低等原因,一度进展缓慢。

2019年以来,随着贸易摩擦和地缘政治影响,国内对于芯片供应链安全的重视程度不断提升。

2020年8月,国务院印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》提出,中国要加快高端芯片的自主研发与国产替代,而DSP与CPU(中央处理器)、GPU(图形处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)同属高端芯片“四大件”,其重要性与日俱增,早日国产化刻不容缓。

由于DSP芯片高实时性、高运算性能的特性,成为智能化时代终端产品进行高速实时控制芯片的最佳选择,市场需求呈快速增长态势,也成为推动DSP国产化进程的关键动力。根据Business Research数据,2020年全球DSP芯片市场规模为33.28亿美元,预计到2027年将达到53.707亿美元,预测期内复合年增长率为6.8%。

公开资料统计,2022年中国DSP芯片产量增长至约4755.7万颗(图自:华经产业研究院)

单纯依靠国外企业,已经不能满足国内日益增长的需求,不少DSP芯片需求企业和集成电路产业链相关企业开始在国内寻求供应商。同样,国内一批DSP芯片企业也凭借技术创新和坚持不懈的努力,逐步打破国外厂商的技术垄断。

其中2012年成立的湖南进芯电子,6年间不断突破技术壁垒,于2018年正式推出自研DSP进入工控市场,填补了国内空白。如今进芯电子已成为国内DSP产品线最为丰富的厂商之一,主要用于工业控制、新能源、电动汽车以及物联网等领域。

在国家提出双碳战略(碳中和、碳达峰)以及新质生产力的政策号召下,更多像进芯电子这样的国产DSP厂商正从从专业应用领域向电动工具、白色家电等民用场景拓展,并赢得客户认可。他们的崛起,代表着DSP国产替代的大幕已经拉开。

下面我们就从智能家电、工业自动化和汽车电子这三大领域,看看国产DSP替代的市场容量,以及与国外DSP厂商相比具备哪些优势。

智能家电为何青睐DSP?

90年代后,随着DSP技术进一步成熟,芯片成本下降、处理能力增强,DSP开始越来越多被整合进家电产品中。多家知名空调制造商如三菱电机、松下、大金、美的等,都在不同时间点引入了基于DSP的先进控制方案。

此后,更高效、更环保的变频空调在家用空调市场中的占比增长明显,而这部分产品很多采用了DSP控制方案。根据咨询机构弗若斯特沙利文(Frost & Sullivan)数据,2021年中国变频空调的产量达到了1.07亿台,同比增长28.4%,2016-2021年间的复合年增长率(CAGR)为22.1%。

预计到2030年,中国节能变频空调的产量将达到3.69亿台,这对于DSP来说是一个广阔的市场。

变频空调的变频器通常使用特定的微控制器(MCU)或DSP来进行控制,再由变频器调节供给电机电能,进而控制电机运行。这些芯片负责执行算法,以实现对压缩机和其他部件的控制,搭配FPGA(CPLD)、智能功率模块(IPM)、电源管理芯片(PMIC)和传感器等,以达到节能和提高效率的目的。

就不同的控制方案而言,MCU方案主打一个成本低、功耗低、通用性强,更适合成本敏感的消费级产品。DSP的优势则在于专为执行复杂的数学运算和高速数据处理而设计,强大算力能够快速处理复杂的控制算法,如PID控制、矢量控制算法等,这对于实现精确的电机控制至关重要。简单来说,DSP方案控制的变频空调无论内外机都更柔和、安静、节能。

除了满足空调变频化对精细控制的需求,DSP控制方案在处理能力、算法、实时性和精准性上的“高端”特质,也令其更符合其他高端家电需要高性能数字信号处理和复杂控制算法的调性。

由于采用哈佛架构(Havard Structure),DSP还拥有独立的程序和数据总线,能够同时读取指令和数据,加之其多级流水线并行操作,可以在每个时钟周期内并行处理完成多个操作。ASIC控制方案虽然在特定应用中效率极高,但其功能固定,而DSP通过软件编程即可实现多种复杂功能,为系统设计提供了高度的灵活性和可扩展性,如PID控制、自适应控制、模糊控制等,易于适应控制策略的变化和升级。例如高速吹风筒的0速闭环启动方式更加可靠平顺,快速启停运行平稳噪声小,关键点就在于灵活的控制。

在信号实时处理上,DSP优势也很明显。它们通常针对信号处理任务进行硬件层面的优化,内置如快速傅里叶变换(FFT)、滤波算法等专用指令集,适合处理电机控制中常见的噪声过滤、信号平滑等任务。快速中断处理和低延迟的特性,确保了对电机状态变化的即时响应,这对于保证变频器的稳定性和动态性能非常关键。例如变频洗衣机、电钻在运作过程中检测到异物,可以及时反馈电机状况并进行中断操作。

更为难得的是DSP通常支持C/C++等高级语言编程,降低了开发难度,加快了开发周期,并且使得软件复用成为可能。比如高度定制化且需要频繁更新软件的智能家电,如智能冰箱、智能洗衣机等,可以利用软件复用减少开发时间和成本。

实现精确工业控制的关键

根据Frost & Sullivan数据,2023年全球工业电子市场规模在达4807.3亿美元340;预计到2024年将增长至5095.9亿美元。中国市场方面,2023年工业自动化市场规模达3115亿元人民币;预计2024年将增长至3531亿元人民币。

(图自:中商情报网)

虽然DSP在这个庞大的工业市场中仅占一小部分,但它对于实现高精度控制至关重要。

早期DSP在工业中的应用,主要集中在提高工业设备的控制精度和响应速度,例如在电机控制、电力电子变换、运动控制、过程控制等领域。DSP芯片能够实时处理复杂的控制算法,实现精准的闭环控制,从而提高生产效率和产品质量。

在现在工业自动化应用中,DSP芯片的应用更加广泛了。在变频器、伺服驱动器等应用中,相比传统MCU方案能实现更精确、更快的电机速度控制、转矩控制及能量优化。例如用于电梯门控器和曳引机等场景,可以保障电梯稳定、高效运行;在地铁门控制中,采用DSP全数字控制技术的电子门控器,可集成车门的控制、监测、诊断、自学习和网络通讯等功能,保障车辆运营安全。

在自动化生产线、机器人控制中,DSP负责处理传感器数据,实现精确的定位控制和路径规划。以常见的机械臂拿取控制为例,具有硬件浮点单元的DSP可以高效执行浮点运算,对于涉及大量乘法和除法的数学运算尤为有利,能够精确控制电机转速等关键参数,减少电流波动和机械振动,从而降低运行噪音、克服抖动问题。

在电力转换和电源管理领域,DSP能够迅速执行复杂的算法,优化电力电子变换过程。此外,它还助力于设备运营状态的实时监控,通过组网实现效率和可靠性的双重提升。当下,数字电源技术正逐渐取代传统的模拟电源技术,DSP可以实现更灵活的电源管理策略和更精确的电流、电压控制。

此外在可再生能源应用中,DSP主要用于光伏逆变器,有效将光伏板发出的直流电,逆变成电网可接受的交流电,离网应用助力用户“节省日常电费”,并网应用助力电网用电深层用电结构调整。

随着工业物联网(IIoT)、工业4.0等概念的兴起,DSP在边缘计算、大数据处理和实时决策支持等方面的作用更加凸显,国产DSP也越来越多得到业界的认可,为实现更高级别的智能工厂和预测性维护等应用提供了技术支撑。

汽车电气化为DSP带来大量机会

汽车领域也是DSP的主战场,从传统燃油车时代起,DSP就在发动机控制单元、变速箱控制、安全系统等方面发挥作用。随着汽车的电动化、电气化和智能化转型,DSP在汽车电子系统中可以进行实时的采集外部信号、实现复杂电机计算和相应控制,一辆新能源车中的DSP“含量”可高达几十颗。

例如在动力域控制方面,DSP在电机控制单元中用于接收车辆控制单元(VCU)的车辆行驶控制指令,控制动力电机输出指定的扭矩和转速,驱动车辆行驶并实现制动动能回馈。此外还可以用于实现对主电机、直流电压转换DC-DC、车载充电机OBC的控制。

车身域控制方面,DSP用于控制汽车门窗、灯光、雨刮、电动座椅、空调等,以及与车内驾乘体验相关的应用,确保汽车系统的安全与舒适。例如在电动座椅上,通过电机结合减速机构实现前后、高度、靠背角度、背托等调整;在玻璃升降上,通过电机结合减速机构实现侧挡、天窗的开合,拥有堵转检测、防夹设计等。

在新能源汽车上,热管理系统也是DSP应用的重要一环。热管理系统往往需要执行复杂的控制算法,如PID控制、模型预测控制(MPC)等,来实现高效的热能管理。DSP能够快速并行处理从各种传感器(如温度传感器、压力传感器、流量传感器等)收集到的实时数据,根据这些数据实时调整热管理系统中的各种组件(如冷却泵、风扇、热交换器、热泵等)的工作状态,以保持电池包、电机、电控单元等关键部件在最佳工作温度范围内。

随着热管理系统向集成化、智能化发展,DSP还参与到系统整体的优化中,例如通过算法优化热泵的工作模式,提高能效比;或是在热管理系统与车辆其他子系统之间进行协调,如根据车辆行驶状态、环境条件动态调整热管理策略。

除了上述几个重点领域,DSP在车载充电器(OBC)和直流/直流电源控制、汽车牵引电机控制、电池管理系统(BMS)上都有大量应用。

(图自:36氪研究院)

根据调研机构数据,预计到2025年,乘用车汽车电子成本在整车成本中的占比将达到60%,在纯电动车型成本占比甚至有望达到65%。随着新能源汽车产销量的快速增长,对汽车电子的需求也将持续增加,特别是车用DSP芯片作为实现复杂数字信号处理的核心部件,将在汽车智能化、网联化的趋势中发挥关键作用。

国产DSP的竞争力如何?

广阔的新兴应用领域,和巨大的市场容量,能否让DSP成为高端芯片“四大件”中率先实现国产替代的?可以说优势与挑战并存。

先看优势部分:

- 成本与价格:国产DSP芯片在成本控制上通常更具优势,在同等价格下能提供更优质的产品,这在大规模应用中尤为重要,能够帮助终端产品保持竞争力。

定制化服务:国内厂家能够提供更为快速的响应和定制化服务,针对特定行业或客户需求,进行灵活的设计与优化,比如在家居、工控和汽车领域,可以根据应用场景进行深度定制。

集成度和算力提升:相比国外厂商采用90或65nm工艺,国产DSP芯片已经开始采用40nm工艺,不断追求多核异构设计、更高主频和更高集成度,如将驱动器、电源、通讯接口等外设集成在单一芯片上,减少了系统复杂度、PCB占板面积和总体成本,提高了系统性能。

实时控制与精确性:部分国产DSP已拥有自己的“长板”,例如湖南进芯在实时控制和精确性方面表现突出,适用于需要快速反应和精确控制的场景,如机械臂控制、汽车动力系统和家电的变频控制,能够提供更平滑、低噪声的用户体验。

市场适应性:针对国内市场的特定需求,如新能源汽车的电池管理、智能家电的节能化等,国产DSP芯片能够更好地适应市场变化,满足快速发展的行业需求。

再看存在的挑战:

技术差距:尽管国产DSP技术在快速进步,但与国际领先水平相比,在某些高端应用领域,如高性能计算、尖端科研设备等,仍存在技术差距,需要持续研发投入追赶。

生态系统构建:国外DSP芯片已建立了成熟的生态系统,包括开发工具、软件库、技术支持等,国产DSP芯片需要建立和完善自己的生态系统,吸引开发者和合作伙伴,提升整体解决方案的竞争力。

市场认可度:改变用户习惯和信任度是一个长期过程,国产DSP芯片需要通过长期稳定的性能表现和成功案例来逐步建立市场信誉,尤其是在对稳定性要求极高的工业和汽车领域。

供应链稳定性:在全球化背景下,供应链安全是重要挑战,国产化替代需要保障原材料供应、制造工艺等环节的稳定可靠,减少外部因素的干扰。

国际竞争:面对国际市场上成熟且强大的竞争对手,国产DSP芯片需要不断创新,提升产品竞争力,同时开拓国际市场,参与全球化竞争。

综合来看,国产DSP芯片在替代进程中展现出明显的成本、定制化服务优势,在特定领域甚至实现了性能上的优势,但同时也面临着技术追赶、生态建设、市场认可度提升等挑战,需要持续的技术创新和市场拓展策略。

产业链共促DSP国产化

近年来,我们常常听到各类芯片要实现国产替代的口号,但其实国产替代从不来都不是只靠芯片行业本身就能实现的。国产化进程更大程度上需要依赖产业链上所有参与者的共同努力,因为这不仅涉及到单个环节的成本和性能优化,还关系到整个国家在全球半导体产业中的竞争力和自主可控能力。

上游方面,DSP芯片设计企业需要与原材料供应商、晶圆代工厂、封装测试企业等协同工作,共同提升产品的性能和可靠性。下游方面,国内终端厂商要更主动地优先采用国产芯片,他们反馈的实际应用需求将直接推动芯片厂商进行技术迭代和产品优化。

无论对于DSP还是其他芯片类别,这种基于实际应用场景的迭代,能够更精准地解决行业痛点,促进国产技术快速成熟。这不但能打破国外芯片巨头的市场垄断,增强产业链的自主可控能力,还能提高国内半导体企业的议价能力和市场地位。

以体量最大的家电行业为例,对于格力、美的、海信、海尔等本土家电巨头来说,提高国产芯片的使用比例,不但可以减少对外部芯片的依赖,还能实现成本的降低。更重要的是,这些龙头企业的实践还能激发其他家电厂商对国产芯片的信任和采用意愿,形成了良好的示范效应。

相关数据显示,全球DSP芯片市场规模约为1000亿美金,而在中国市场规模约为160到170亿人民币,在国内的通信、音视频和实时电机控制应用领域保持高速增长。

曾经,工业、消费、汽车等领域的DSP供应被国外芯片巨头垄断;如今,大量国产替代方案正涌现出来。进芯电子等本土企业依托新兴市场容量的扩大,在技术上积极突破和创新,增强了国内相关供应链的自主可控能力,大大提升了本土DSP产品竞争力和市场份额。相信未来中国的DSP芯片产业,会像中国的航天、核电、高铁产业一样,一步步走到国际化舞台的更前列,释放出熠熠光辉。

责编: 爱集微
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