ITRS的工序路線圖與新一代嵌入式多核SoC設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在、IP無(wú)處不在和無(wú)縫移動(dòng)連接的總趨勢(shì)下，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)項(xiàng)目組在他們的15年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)中認(rèn)為，隨著技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)推進(jìn)“摩爾定律”和生產(chǎn)力極限的發(fā)展，將出現(xiàn)若干新的半導(dǎo)體技術(shù)，在芯片之上或者在芯片之外不斷擴(kuò)展新的功能。圖1就顯示了手機(jī)芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。


總的來(lái)說(shuō)，新興的半導(dǎo)體技術(shù)可以分為三種：摩爾定律、廣義摩爾定律、超越摩爾定律。所有這些都能對(duì)嵌入式網(wǎng)絡(luò)空間起到顯著影響，使用系統(tǒng)級(jí)芯片體系結(jié)構(gòu)通常會(huì)用到以下技術(shù)：多核(MC)、分級(jí)緩存、芯片內(nèi)連接、按需提供的加速引擎、可連接性。

所有這些技術(shù)加起來(lái)就能夠提供一個(gè)可擴(kuò)展、基于軟件多核／加速引擎的系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC-MC／AE)解決方案，可以滿足從低端到高端的各種應(yīng)用程序需求，通過(guò)這些新的服務(wù)實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)展各種用戶(hù)體驗(yàn)。

三種“摩爾定律”

隨著技術(shù)與體系結(jié)構(gòu)推進(jìn)“摩爾定律”和生產(chǎn)力極限的發(fā)展，在2005年ITRS首次提出了“超越摩爾定律”的概念，用來(lái)指代那些不可度量的功能性集合。不僅包括大部分的模擬功能，還包括無(wú)源器件、高電壓、傳感器、促動(dòng)器和啟動(dòng)器等。

在ITRS舉辦的大會(huì)上，他們給出了這三種“摩爾定律”的大致定義：
摩爾定律：幾何級(jí)規(guī)模增長(zhǎng)。
廣義摩爾定律：算術(shù)級(jí)規(guī)模增長(zhǎng)。
超越摩爾定律：功能多樣化。

“摩爾定律”主要指在度量芯片邏輯和內(nèi)存的物理特性各個(gè)方面都呈現(xiàn)幾何級(jí)規(guī)模的持續(xù)增長(zhǎng)，它能增強(qiáng)芯片的密度(減少功能的單位成本)、性能(速度、能力)以及對(duì)應(yīng)用程序和最終客戶(hù)的可靠’性?xún)r(jià)值。

“廣義摩爾定律”通常是指那些與幾何級(jí)規(guī)模增長(zhǎng)特性相關(guān)、能夠影響芯片電子性能的處理器技術(shù)。

“超越摩爾定律”指集合在裝置中的各種功能，它們無(wú)法用摩爾定律來(lái)度量，卻能以不同的方式為最終客戶(hù)提供各種附加價(jià)值。

這些“超越摩爾定律”的方法，通常使用一些非數(shù)字化的功能(例如射頻通信、能源控制、無(wú)源組件、傳感器、促動(dòng)器及第三方的IP等功能增強(qiáng)組件)。將這些技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)板級(jí)／特定封裝級(jí)(SiP，系統(tǒng)內(nèi)封裝)或芯片級(jí)(系統(tǒng)級(jí)芯片)等潛在的解決方案。

總的發(fā)展趨勢(shì)是，越來(lái)越多的功能都不再以同樣的模式增長(zhǎng)(摩爾定律所定義的那樣)。這是功能多樣化，而不是簡(jiǎn)單的增長(zhǎng)，但是商業(yè)和技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方面。

將“摩爾定律”與“超越摩爾定律”聯(lián)合起來(lái)，就能夠得到系統(tǒng)級(jí)芯片或者系統(tǒng)內(nèi)封裝，這并非芯片上同樣功能的簡(jiǎn)單整合，而是能真正增加其價(jià)值的整合。

SOC設(shè)計(jì)中的功能多樣化

國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線通信部(ITU-R)正在研究未來(lái)系統(tǒng)中的用戶(hù)需求預(yù)測(cè)。例如在即將到來(lái)的2010年，為了滿足IMT-2000(國(guó)際移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn))及更先進(jìn)的技術(shù)需要，預(yù)測(cè)全世界所需要的頻譜帶寬總量。

IMT-2000系統(tǒng)屬于第三代移動(dòng)通信，在固定電線網(wǎng)絡(luò)(例如PSTN／ISDN／IP)及各種其他移動(dòng)特有服務(wù)的支持下，能夠訪問(wèn)各種電信服務(wù)。IMT-2000主要特性包括：

(1)通過(guò)各種服務(wù)和終端能夠提供多媒體應(yīng)用的能力。
(2)各種具體技術(shù)具有高度的共通性。
(3)在IMT-2000和固定網(wǎng)絡(luò)之間具有業(yè)務(wù)一致性。
(4)質(zhì)量很好。
(5)全世界漫游。
(6)很小的終端可以在世界各地使用。

在未來(lái)5～15年，還將有以下發(fā)展趨勢(shì)：

(1)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性進(jìn)一步增強(qiáng)，在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何設(shè)備上都能以寬帶的速度接收高質(zhì)量的多媒體內(nèi)容。

(2)在市場(chǎng)上，終端用戶(hù)將是創(chuàng)建各種多媒體內(nèi)容的主要力量。

(3)將出現(xiàn)很多高級(jí)的基于IP的應(yīng)用和服務(wù)，推進(jìn)高帶寬可擴(kuò)展性網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展。

(4)出現(xiàn)裝備多個(gè)內(nèi)核或者支持多線程的芯片及加速器的多處理器平臺(tái)，以支持各種高級(jí)應(yīng)用和服務(wù)。

(5)處理器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)從65nm到45nm、32nm、22nm乃至10nm的工藝水平。

(6)網(wǎng)絡(luò)中隨處可見(jiàn)可擴(kuò)展的封裝與反病毒技術(shù)。

(7)家庭網(wǎng)絡(luò)將越來(lái)越復(fù)雜，包含了各種數(shù)據(jù)通信與娛樂(lè)功能。

(8)在家庭、辦公室及野外能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫移動(dòng)性。

與傳統(tǒng)的PC應(yīng)用程序或者服務(wù)器應(yīng)用程序相比，考慮到內(nèi)核速度與內(nèi)存I／O延遲等的本質(zhì)性差異，如今的嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)并不能提供可觀的性能，無(wú)法滿足先前提到的聯(lián)網(wǎng)計(jì)算場(chǎng)景的需求。

現(xiàn)在．幾乎所有批量生產(chǎn)的商業(yè)性處理器都是基于單線程體系結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)的，這必然受到性能和應(yīng)用方面的諸多標(biāo)準(zhǔn)限制。隨著應(yīng)用變得越來(lái)越依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)，這種傳統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)技術(shù)將無(wú)法滿足聚合計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)范式的吞吐量需求。

這種基于“包”的計(jì)算環(huán)境特點(diǎn)在于大數(shù)據(jù)量訪問(wèn)帶來(lái)的延遲，使用傳統(tǒng)的處理器體系結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行有效管理。這個(gè)問(wèn)題將會(huì)嚴(yán)重影響處理器的性能和工作效率。如果內(nèi)存處理不能得到立即響應(yīng)，并且也沒(méi)有彌補(bǔ)的指令可以執(zhí)行，那么傳統(tǒng)的處理器將暫停運(yùn)行，造成處理周期的損失。

SoC-PE用戶(hù)與SOC-MC／AE網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

將“廣義摩爾定律”加入到設(shè)計(jì)中，能夠得到一個(gè)聚合的、整合的異構(gòu)平臺(tái)，能夠創(chuàng)建一個(gè)可擴(kuò)展的、智能的、堅(jiān)實(shí)的增值環(huán)境。這種基于使用三種“摩爾定律”的可擴(kuò)展性得到的SoC-PE平臺(tái)。將成為一種重要的發(fā)展方向。

在2005年初，ITRS就引入了SoC-PE體系結(jié)構(gòu)模板，其中的PE是指為了滿足可移植性與無(wú)線應(yīng)用(如智能媒體電話或者數(shù)碼相機(jī)芯片)等特定功能，以及高性能計(jì)算和企業(yè)級(jí)應(yīng)用等需求而定制的處理器。

作為這種SoC-PE體系結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充，又定義了一種多核／加速引擎(MC／AE)的系統(tǒng)級(jí)芯片體系結(jié)構(gòu)模板，用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)相關(guān)問(wèn)題。這種MC／AE的SoC網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)包含了以下必需的功能模塊：

(1)支持多核技術(shù)，以便在30W的電力條件下能夠提供良好的處理性能。

(2)支持前所未有的三級(jí)緩存，內(nèi)部的L2與多個(gè)L3共享緩存和多個(gè)內(nèi)存控制器。

(3)支持高速的互連接性。

(4)引入了一種可擴(kuò)展的芯片內(nèi)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)并行、無(wú)阻塞、基于硬件、100％使用緩存的平臺(tái)連接性，它最多可支持32個(gè)內(nèi)核，且支持異構(gòu)內(nèi)核。

(5)為了滿足多核技術(shù)的需求，去除了共享總線的連接方式，能夠支持快速的高帶寬通信尋址。

(6)包含了一個(gè)按需提供的加速引擎，通過(guò)純內(nèi)核處理周期、低能耗實(shí)現(xiàn)和減少用硅量成本來(lái)提高性能優(yōu)勢(shì)。