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博客

微处理器大师分享IC设计经验

已有 538 次阅读2019-4-2 16:14

 自1958年美国德克萨斯仪器公司(TI)发明集成电路(IC)后,随着硅平面技术的发展,二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路,它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃,创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集成电路产业。

  回顾集成电路的发展历程,我们可以看到,自发明集成电路至今40多年以来,"从电路集成到系统集成"这句话是对IC产品从小规模集成电路(SSI)到今天特大规模集成电路(ULSI)发展过程的最好总结,即整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统(System-on-board)到片上系统(System-on-a-chip)的过程。在这历史过程中,世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求,其产业结构经历了三次变革。

  而更加奇妙的是,他几乎经历过微处理器的所有起起伏伏,前世今生。他是RISC架构的奠基人之一,分别参与了Intel和MIPS公司的大跃进时代,如今,又带着一种全新SoC架构的理念,在或多或少地改变着我们的数字时代。所以,与其说是采访,还不如说是在听一个传奇(而且这个传奇也不过是翩翩中年哦!)讲故事。

  Power Density、Parallel、Multi-Core、FPGA、 RISC、SoC,这些词于谈笑间辗转腾挪,有一瞬间,我差点觉得对面坐着的是Wes Anderson,那个拍出过《了不起的狐狸爸爸》(Fantastic Mr. Fox)的我最中意的好莱坞导演。不避世也不趋世。独辟蹊径,信手拈来。关键都还挺帅的。

  1、我看过您2004年写的“复杂SoC设计”,非常喜欢的第8章(Chris Rowen:“SOC设计的未来”哈哈)。恩您还记得。因为你的所有预言都应验了,这非常有趣。所以我的问题是,您如何看待再6年之后的SoC设计,或者说和SoC设计有关的那些技术趋势?

  Chris Rowen :哇,这个问题还不赖!我认为这个市场的大方向还是相当清楚的。看看市场层面的基本趋势,再看看技术层面的基本趋势,你就可以看到他们在哪里重合。就技术而言,你会发现摩尔定律作为经济驱动力的事实。但是摩尔定律真正有趣的部分在于,第一,是“集成度持续提高”。每隔2年半或者3年,硅密度就要提高一倍,这意味着近一倍成本的降低,让射频产品中的数字模块集成度越来越高。这也意味着,各种系统都在规模上变得越来越小。所以无论是电脑亦或消费电子设备,每一个系统的目的都是集成于同一块芯片。这就变得有趣起来。但是在今天,事情都颠过来了。你更希望把一坨不同的功能集合到一块芯片上。当然在这个意义上,你还是得搞出一块专用芯片。但是挑战变大了,因为芯片本身需要更加专注于某一个特殊应用,而应用处理器、内部总线等等其他玩意儿,也要变得更小更强更快!

  另一件吊诡的事就是,摩尔定律并没有在晶体管层面带来太多的功率改进。在过去,当东西变小了,功率自然就降低了,所以工程师也压根不需要操心什么芯片架构。而现在,如果工程师想要优化功耗,首先就要优化架构。他得考虑我怎么着才能更有效地完成这个计算?譬如用更少的晶体管门或者运算周期,甚至在这个任务不运行的时候关闭掉相应子系统。总之,这活儿变智能了。

  所以举个例子啊,比如你想做个手机,就必须要注意区分不同的使用场景,譬如听音乐、看YouTube视频、发短信、上网,或者煲电话,这些都是完全不同的情景。你得关掉所有没用的子系统。更细心,更积极。因此对于芯片设计师或者系统设计师来说,这是最好的时代。因为有这么多的事儿可做。但对于一个晶体管工人而言,这可真是最坏的时代啊!一切都已经上升,已经上升到系统或者应用的级别。这就是技术领域正在发生的大事件。

  2、未来几年市场方面的变化呢?

  Chris Rowen :说到市场。我认为最大的趋势是一切都已经移动起来,因为人们的生活方式已经彻底改变了。当你可以随身携带那么多的设备,就会希望能够持续地连接到互联网 上。这种影响不仅表现在设备上,还表现在无线基础设施,以及云计算上。而且经济层面的机会,将会随之变得非常,非常深远。因为你会看到,譬如在这种设备的层面,无线连接的带宽起码还要提高30倍。中国就是一个鲜活的例子。不光如此。在印度、南美、非洲、加勒比海地区,人人都希望持续不断地连接到互联网。

  所以,你必须很好地设定人们日益增长的期望值。现在有10倍的宽带人口增长每个人都有30倍的宽带需求,因此就有了300倍的宽带要求。而系统的每 个层面都需要满足这种需求。但是制造商是没可能赢得300倍收入的。有可能获得更多的收入, 但不是三百倍以上。因此,他们必须在得到大幅增加带宽的同时,大幅降低资金成本和经营成本。

  3、那么接下来在SoC设计上会有什么事情发生?

  SoC的定义多种多样,由于其内涵丰富、应用范围广,很难给出准确定义。同时它又是一种技术,用以实现从确定系统功能开始,到软/硬件划分,并完成设计的整个过程。SoC定义的基本内容主要表现在两方面:其一是它的构成,其二是它形成过程。系统级芯片的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU 内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通讯的接口模块、含有ADC /DAC 的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块,对于一个无线SoC还有射频前端模块、用户定义逻辑(它可以由FPGA 或ASIC实现)以及微电子机械模块,更重要的是一个SoC 芯片内嵌有基本软件(RDOS或COS以及其他应用软件)模块或可载入的用户软件等。

  Chris Rowen :你可以看下无线基站作为例子。传统意义而言,它们是昂贵的。你可以找些通用芯片、通用DSP、通用FPGA。可是今天,为了满足对带宽的要求,您需要更 多的高度定制的SoC,芯片平台和软件的需求也上升很快。所以这将使集成度更高,每块芯片上集成更多的DSP,而每块DSP上嵌入更多的软件程序,甚至是 软件内容的爆炸性发展。

  有趣的是,每部分网络基础设施的功耗都是巨大的。那么即便为绿色节能考虑,减少为更加紧密集成的系统都是异常重要的。基站将明显变小,这意味着整个基站 都可变成塔顶的一个小盒子,而不是……装在塔顶可是简单很多。

  当然在系统层面,你一旦降低成本以后降低功耗也就水到渠成。所以这两者之间是一个非常良性的关系。关键是硅晶圆的集成。这也是Tensilica会 如此迅速成长成为世界领先的DSP内核供应商之一的原因。

  甚至可以看到这种变化体现到了云计算上。因为现在你需要300倍的带宽,也就相应地对视频服务、视频压缩、互联网数据库搜索、社会网络,如此等等, 都提出了更高的需求。而所有这些事情,真的都是很复杂的应用程序呢。

  不过有趣的是,他们都是些并行的应用程序。Intel在1990年,戏剧性地发现了单处理器性能呈指数增长的改善。但是他们也旋即发现当处理器频率达到约3.5到4GHz的时候,功率密度遇到了瓶颈。于是,他们开始尝试多核技术。

  还好人民群众想做的事,基本都是天然就可以并行处理的。你在做互联网数据库检索的时候,确实可以设置多内核、多芯片,甚至多系统。因为你的查询请求通常将被发往多个地点。所以在互联网云计算的领域,运用多核的机会无比 广阔。

  而且确实存在是一个问题,就是你如何在有效的MIPS指令内获得足够低的功耗。或者说,如何在设计电池寿命最长的移动设备,和最可扩展的服务器之间 取得关联?因为所有都和功耗有关,而非峰值的性能。

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