多處理器系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)：IP重用和嵌入式SOC開(kāi)發(fā)的邏輯方法

Tensilica公司總裁兼CEO Chris Rowen博士

硅芯片技術(shù)的飛速發(fā)展給SOC設(shè)計(jì)帶來(lái)新的危機(jī)。為了保持產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，新的通信產(chǎn)品、消費(fèi)產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須在功能、可靠性和帶寬方面有顯著增長(zhǎng)，而在成本和功耗方面有顯著的下降。
與此同時(shí)，芯片設(shè)計(jì)人員面臨的壓力是在日益減少的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)更多的復(fù)雜硬件系統(tǒng)。除非業(yè)界在SOC設(shè)計(jì)方面采取一種更加有效和更加靈活的方法，否則投資回報(bào)障礙對(duì)許多產(chǎn)品來(lái)說(shuō)就簡(jiǎn)直太高了。半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和電子產(chǎn)品發(fā)明的全球性步伐將會(huì)放緩。
SOC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)面臨一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：
* 設(shè)計(jì)方面的努力：對(duì)于規(guī)模龐大的SOC，在設(shè)計(jì)方面所付出的努力將是巨大的。隨著設(shè)計(jì)模塊變得更加復(fù)雜，基于Verilog和VHDL的邏輯設(shè)計(jì)將會(huì)淡出主流設(shè)計(jì)方法。
* 驗(yàn)證方面的困難：典型邏輯模塊的復(fù)雜度比門(mén)數(shù)的增長(zhǎng)會(huì)更加迅速，因此設(shè)計(jì)中潛在的缺陷數(shù)量也會(huì)迅速提高。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的報(bào)告表明70％的開(kāi)發(fā)時(shí)間用于對(duì)他們的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。
* 排除設(shè)計(jì)缺陷的成本：設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)越大，NRE費(fèi)用越高，利潤(rùn)和市場(chǎng)份額損失就越大， 這都使避免設(shè)計(jì)缺陷的成本變得不可忍受。
* 硬件/軟件集成時(shí)間滯后：作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的最后一步，軟件集成通常使得整個(gè)開(kāi)發(fā)計(jì)劃延遲。對(duì)于新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程而言，硬件/軟件驗(yàn)證的滯后是一個(gè)極大風(fēng)險(xiǎn)。
* 標(biāo)準(zhǔn)的變化及其復(fù)雜性：業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)變化的次數(shù)、復(fù)雜度和費(fèi)用爆炸性的增長(zhǎng)使得現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法和模塊構(gòu)建技術(shù)變得過(guò)時(shí)了。一些新的復(fù)雜標(biāo)準(zhǔn)要求更大的計(jì)算吞吐量。
盡管通用處理器能夠處理許多任務(wù)，但是它們通常缺少執(zhí)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理任務(wù)所需要的帶寬，例如網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理、視頻處理和加密。芯片設(shè)計(jì)人員渴望通過(guò)硬線邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵功能。
摩爾定律 = 機(jī)會(huì) + 風(fēng)險(xiǎn)
戈登摩爾在1965年曾預(yù)測(cè)到集成電路的密度將每大約一到兩年翻一番。今天，構(gòu)建超過(guò)一百萬(wàn)門(mén)的SOC是非?？赡艿?。在近幾年內(nèi)，我們將會(huì)在某些復(fù)雜應(yīng)用領(lǐng)域看到用十億個(gè)晶體管構(gòu)建的芯片。不幸的是，與這些龐大芯片相關(guān)的設(shè)計(jì)任務(wù)是相當(dāng)令人害怕的。半導(dǎo)體研究公司捕捉到這種現(xiàn)象并對(duì)邏輯復(fù)雜度和設(shè)計(jì)人員生產(chǎn)效率進(jìn)行了對(duì)比，如圖1所示。
圖1 硅片復(fù)雜度和設(shè)計(jì)人員生產(chǎn)效率之間日益增長(zhǎng)的鴻溝意味著業(yè)界需要一種新的、更加有效的方法來(lái)設(shè)計(jì)SOC
更加有效的SOC設(shè)計(jì)途徑是多處理器系統(tǒng)芯片MPSOC（Multi-Processor System-On-Chip）設(shè)計(jì)方法。MPSOC設(shè)計(jì)方法讓設(shè)計(jì)人員靈活地在第一時(shí)間（降低開(kāi)發(fā)成本）推出芯片并且保持超前（提高產(chǎn)量和收益）。
采用這種方法，SOC工程師可以在設(shè)計(jì)周期的早期就對(duì)各種可能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行更加全面和詳盡的了解。他們能夠更好地了解設(shè)計(jì)的硬件成本、應(yīng)用性能、接口、編程模型和其它重要特征。

專用領(lǐng)域的靈活性
由于經(jīng)濟(jì)方面的原因，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不需要使用硅芯片中的全部功能。例如，一個(gè)數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)人員不需要使用同一個(gè)芯片中用于高端光網(wǎng)絡(luò)交換的功能。通過(guò)對(duì)一百個(gè)相似的設(shè)計(jì)到一萬(wàn)個(gè)設(shè)計(jì)的對(duì)比可以看出從芯片得到的不同收益是相對(duì)適度的，如圖2所示。設(shè)計(jì)人員可以非常容易地提供一個(gè)適合其應(yīng)用領(lǐng)域的芯片級(jí)設(shè)計(jì)平臺(tái)，并且在該平臺(tái)上可以保持靈活性。
圖2 每個(gè)芯片上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)成本$10M、制造成本$15、可編程的額外費(fèi)用占5％）
今天，設(shè)計(jì)人員一般采用硬連線邏輯的方式而不是采用現(xiàn)有的微處理器核來(lái)開(kāi)發(fā)大多數(shù)SOC子系統(tǒng)，因?yàn)橥ㄓ梦⑻幚砥黧w系結(jié)構(gòu)通常因速度不夠快而不能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

作為SOC構(gòu)建模塊的處理器
MPSOC設(shè)計(jì)方法學(xué)的基本構(gòu)建模塊是可配置、可擴(kuò)展的微處理器核。微處理器核是通過(guò)處理器產(chǎn)生器生成建立的，并使用應(yīng)用領(lǐng)域要求的高級(jí)語(yǔ)言以指令集描述的方式或者應(yīng)用程序代碼事例產(chǎn)生代碼量小、高效、專用及可編程的微處理器。
可配置處理器可以非常高效地完成傳統(tǒng)微處理器的任務(wù)。但是，由于這些可配置處理器能針對(duì)某一應(yīng)用領(lǐng)域的各種數(shù)據(jù)類型將數(shù)據(jù)通路、指令和寄存器存儲(chǔ)功能集成在一起，因此，事實(shí)上它們支持所有這些功能，而這些功能在以前是通過(guò)硬連線邏輯的方式實(shí)現(xiàn)的。
可配置、可擴(kuò)展處理器的引入改變了SOC設(shè)計(jì)的規(guī)則?，F(xiàn)在這些可配置處理器可以提升很高的性能。這些處理器在每個(gè)邏輯門(mén)、每平方毫米硅片面積、每瓦功耗或者每個(gè)時(shí)鐘的性能方面通常與它們所替換的基于硬連線的邏輯模塊性能相匹敵，甚至超過(guò)硬連線模塊的性能。
可配置、可擴(kuò)展處理器真正的杠桿作用在于該技術(shù)允許設(shè)計(jì)人員更加容易地在硬件和軟件之間進(jìn)行任務(wù)劃分。因?yàn)榍度胧阶酉到y(tǒng)較廣的多樣性適合可配置、可擴(kuò)展處理器的內(nèi)部功能，將運(yùn)行在通用處理器上的程序代碼移植到專用處理器上所付出的代價(jià)很小，因?yàn)檐浖械墓δ苊枋鐾ǔＪ怯孟馛或者C++這樣的高級(jí)語(yǔ)言寫(xiě)成的。
MPSOC設(shè)計(jì)方法學(xué)解決的一些設(shè)計(jì)問(wèn)題如下：
1. 重用模型不適當(dāng)：半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)SIP（Semiconductor Intellectual Property）重用一直是近十年來(lái)業(yè)界的格言，因?yàn)閺念^來(lái)構(gòu)建上百萬(wàn)門(mén)的設(shè)計(jì)是不現(xiàn)實(shí)的。不幸的是，多數(shù)RTL級(jí)模塊很難被重用。然而，可配置、可擴(kuò)展處理器卻非常容易被重用，因?yàn)殛P(guān)鍵的功能是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2. 存儲(chǔ)器模塊的使用低效：采用MPSOC設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)中大多數(shù)存儲(chǔ)器都可以由相關(guān)的處理器來(lái)進(jìn)行測(cè)試、初始化、管理和控制。這就為片上存儲(chǔ)器的共享和重用提供了更大的靈活性。
3. 系統(tǒng)建模困難：由于MPSOC系統(tǒng)是基于處理器的，而基于處理器的指令集仿真ISS可以對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行仿真。指令集仿真器比RTL仿真器速度要快得多，所以將單個(gè)的芯片模型例化到系統(tǒng)模型就變得非常容易，而且你可以通過(guò)系統(tǒng)仿真運(yùn)行大量的仿真事例和很長(zhǎng)的測(cè)試序列。

轉(zhuǎn)換到MPSOC設(shè)計(jì)
MPSOC經(jīng)常用在使用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法學(xué)碰壁后的情況。這種設(shè)計(jì)方法同RTL設(shè)計(jì)方法相比速度更快、建立百萬(wàn)門(mén)級(jí)的SOC也更加容易。這種設(shè)計(jì)方法學(xué)將會(huì)更快地包容那些傳統(tǒng)處理器中已經(jīng)由軟件實(shí)現(xiàn)的功能，因?yàn)閷Ｓ锰幚砥饕部梢酝瓿上裢ㄓ锰幚砥髂菢拥墓δ?。MPSOC設(shè)計(jì)方法學(xué)能夠?yàn)镾OC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中的所有成員提供非常顯著的益處，包括簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、縮短開(kāi)發(fā)周期、從硬件和軟件開(kāi)發(fā)透視的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化以及增加SOC平臺(tái)和子系統(tǒng)的可重用性。同時(shí)，這些優(yōu)點(diǎn)意味著對(duì)芯片和系統(tǒng)構(gòu)建者投資回報(bào)ROI（Return-On-Investment）向著改善的方向轉(zhuǎn)移。開(kāi)發(fā)成本的降低意味著SOC產(chǎn)量和效益的增長(zhǎng)。這種在投資回報(bào)ROI方面的轉(zhuǎn)移預(yù)示著經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇和電子產(chǎn)業(yè)發(fā)明創(chuàng)造的加速。