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谁能想到这个儿童玩具,成就了德州仪器的DSP王国

2019/11/04
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在 Speak & Spell 问世之前,除了开发它的四位工程师之外,几乎没有人认为它应该被引入。德州仪器 管理层认为该项目没有什么价值。当这四个人向全国顶尖的拼写教育专家描述这个产品时,他们给出的建议是放弃它。当他们试图去推销它时,家长们不屑一顾。

但是保罗·布里德洛夫、吉恩·弗兰茨、拉里·布兰廷汉姆和理查德·威金斯在设计它时玩得很开心,根本不想停下来。阴差阳错,他们忘了向德州仪器的管理层提及,他们的想法遇到了冷落,但幸运的是,在德州仪器的预算范围内,Speak & Spell 是德州仪器中唯一面向消费者的项目(另外两个是 CB 收音机和家庭计算机)。

 

数字信号处理器原型:德州仪器 的 Speak & Spell "通过合成单个字母的声音,用户可以尝试使用小键盘拼写单词。最初的模型,发布于 1978 年,有一个爵士蓝的真空荧光显示屏,并使用 4 节 C 号电池

幸亏在预算之内,在一次采访中,弗兰茨回忆说,团队可能忽略了低成本要求而适当支出一些东西,结果这事就成了,不是吗?

教育拼写玩具的基本思路来自布里德洛夫,布里德洛夫坐拥了天时地利。

布里德洛夫和弗兰茨曾参与 Little Professor 的开发,这是德州仪器在 1976 年推出的一种旋钮计算器。当时教育者认为在课堂上使用计算器是作弊行为。德州仪器,当时和现在世界上最大的计算器制造商之一,试图克服这一异议,并破解教育市场,该计算器可以用来创造一个缺解方程,学生有三次机会输入正确答案。

布里德洛夫还有一个正在学习拼写的女儿,他突然想到,教数学和教拼写之间有着基本的相似性。数学,就是你提出一个方程,学生来解方程,拼写,就是你说出一个单词,学生把它拼写出来。只是工具会有所不同,因为单词必须大声朗读。这显然需要将存储的单词转换为可听语音的技术。这种技术当时确实存在,但成本高昂,不适合消费市场。

但是,曾在德州仪器语音研究实验室工作过的布里德洛夫知道,该实验室的人,或许其他学者,即将创造不那么昂贵的语音合成技术。不过,还有另一个障碍,那就是这个拼写工具的语音合成功能需要大量的存储空间,这似乎非常荒谬。

他没有被吓住。相反,他开始组建一个团队,招募弗兰茨做系统设计师。布里德洛夫从语音处理实验室认识了威金斯,威金斯是布兰廷汉姆的好朋友,他是一名 IC 设计师,威金斯把布兰廷汉姆也拉到了团队里,然后布里德洛夫就去找德州仪器的管理层要研发资金。

弗兰茨解释道,这笔研发资金可没那么好申请,因为拟议产品的风险太高,潜在回报太低。但是,德州仪器当时还有一个为“疯狂的想法”提供资金的来源。拼写设备的风险非常高,“疯狂的想法”计划是最后的选择。他们需要做的就是说服一位高级德州仪器技术专家来支持它。幸运的是,布里德洛夫找到了这样一个人来支持他的提议,团队得到了 25,000 美元(在 2019 年大约值 10 万美元)。
 

图源:吉恩·弗兰茨 / 德州仪器
[左起]吉恩·弗兰茨、理查德·威金斯、保罗·布里德洛夫和拉里·布兰廷汉姆。

 

他们于 1977 年初开始工作。他们的设计需要三个新的芯片:一个控制器,"巨大的"ROM,和一个单芯片语音合成器,这当时并不存在。当时被命名为 TMC0281 的合成器芯片将是世界上第一个语音合成芯片。

Speak & Spell 最终将包含 2 个 128kb 的 ROM 芯片,在当时最先进的是 16 kb。

该合成器基于一种称为线性预测编码(LPC)的语音编码技术。LPC 允许设备从相对较少的数据中生成整个单词的语音信号,这比仅存储单词本身的数字化录音所需的数据要小得多。使用 LPC 的想法来自威金斯,这是当时最前沿的语音处理算法,威金斯拥有哈佛大学应用数学博士学位,并曾在 Mitre 公司工作。威金斯认识几个 LPC 的先驱,在 20 世纪 60 年代在新泽西州的贝尔实验室以及日本的名古屋大学和 NTT 开发后,他们开始寻找商业应用。

合成器芯片运行数字信号处理逻辑,尽管它本身不是 DSP。弗兰茨表示,威金斯和布兰廷汉姆完全自己指定和设计了芯片,没有任何人的批准。德州仪器发热管理层没有要求项目需要任何报告的“漏洞”,这正好适合四个团队成员。在弗兰茨看来,正是管理层的缺乏"帮助",才给了威金斯和布兰廷汉姆找到成功设计所需的自由。他们做出了适当的妥协才能成就我们,弗兰茨说。

团队还可以选择工艺技术。除了互补的金属氧化物半导体CMOS)技术外,还有其前代产品。负通道金属氧化物半导体(NMOS)在当时仍然被广泛应用。正通道金属氧化物半导体(PMOS)更不常见,也不快。

当时 NMOS 是高性能的,弗兰茨解释道。但是我们在低性能的 PMOS 中做了出来。因此,我们不仅设计了第一个语音合成设备,我们还在最差技术中做到了这一点。原因是,如果这些是消费品,那么 NMOS 对于消费者来说是极其昂贵的。ROM 也是用了 PMOS 来制作。

当 Speak & Spell 在 1978 年上市时,它立即受到唯一真正重要的选民——孩子们的欢迎。它似乎是帮助年轻人学习拼写的有效手段。最重要的是,Speak & Spell 有助于克服在教育中使用电子设备的阻力。

德州仪器公司直到 1983 年才生产出第一个数字信号处理器芯片,但是在 Speak&Spell 中实现 DSP 逻辑是一个非常重要的突破,它也帮助德州仪器在 DSP 领域取得了领先地位,公司在 40 多年后继续保持领先地位。
 

德州仪器

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德州仪器 (TI) 设计和制造模拟、数字信号处理和 DLP 芯片技术,帮助客户开发相关产品。从连接更多人的经济实惠的手机到支持远程学习的教室投影仪到可信度、灵活度和自由度更高的修复器械 - TI 技术均采用了新的理念,产生了更好的解决方案。

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