ITRS的工序路線圖與新一代嵌入式多核SoC設計

在網絡無處不在、IP無處不在和無縫移動連接的總趨勢下，國際半導體技術路線圖(ITRS)項目組在他們的15年半導體技術發(fā)展預測中認為，隨著技術和體系結構推進“摩爾定律”和生產力極限的發(fā)展，將出現若干新的半導體技術，在芯片之上或者在芯片之外不斷擴展新的功能。圖1就顯示了手機芯片技術的發(fā)展趨勢。


總的來說，新興的半導體技術可以分為三種：摩爾定律、廣義摩爾定律、超越摩爾定律。所有這些都能對嵌入式網絡空間起到顯著影響，使用系統(tǒng)級芯片體系結構通常會用到以下技術：多核(MC)、分級緩存、芯片內連接、按需提供的加速引擎、可連接性。

所有這些技術加起來就能夠提供一個可擴展、基于軟件多核／加速引擎的系統(tǒng)級芯片(SOC-MC／AE)解決方案，可以滿足從低端到高端的各種應用程序需求，通過這些新的服務實現并擴展各種用戶體驗。

三種“摩爾定律”

隨著技術與體系結構推進“摩爾定律”和生產力極限的發(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，還包括無源器件、高電壓、傳感器、促動器和啟動器等。

在ITRS舉辦的大會上，他們給出了這三種“摩爾定律”的大致定義：
摩爾定律：幾何級規(guī)模增長。
廣義摩爾定律：算術級規(guī)模增長。
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存的物理特性各個方面都呈現幾何級規(guī)模的持續(xù)增長，它能增強芯片的密度(減少功能的單位成本)、性能(速度、能力)以及對應用程序和最終客戶的可靠’性價值。

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

“超越摩爾定律”指集合在裝置中的各種功能，它們無法用摩爾定律來度量，卻能以不同的方式為最終客戶提供各種附加價值。

這些“超越摩爾定律”的方法，通常使用一些非數字化的功能(例如射頻通信、能源控制、無源組件、傳感器、促動器及第三方的IP等功能增強組件)。將這些技術應用于系統(tǒng)板級／特定封裝級(SiP，系統(tǒng)內封裝)或芯片級(系統(tǒng)級芯片)等潛在的解決方案。

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

將“摩爾定律”與“超越摩爾定律”聯合起來，就能夠得到系統(tǒng)級芯片或者系統(tǒng)內封裝，這并非芯片上同樣功能的簡單整合，而是能真正增加其價值的整合。

SOC設計中的功能多樣化

國際電信聯盟無線通信部(ITU-R)正在研究未來系統(tǒng)中的用戶需求預測。例如在即將到來的2010年，為了滿足IMT-2000(國際移動通信標準)及更先進的技術需要，預測全世界所需要的頻譜帶寬總量。

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

(1)通過各種服務和終端能夠提供多媒體應用的能力。
(2)各種具體技術具有高度的共通性。
(3)在IMT-2000和固定網絡之間具有業(yè)務一致性。
(4)質量很好。
(5)全世界漫游。
(6)很小的終端可以在世界各地使用。

在未來5～15年，還將有以下發(fā)展趨勢：

(1)網絡可擴展性進一步增強，在任何時間、任何地點、任何設備上都能以寬帶的速度接收高質量的多媒體內容。

(2)在市場上，終端用戶將是創(chuàng)建各種多媒體內容的主要力量。

(3)將出現很多高級的基于IP的應用和服務，推進高帶寬可擴展性網絡的不斷發(fā)展。

(4)出現裝備多個內核或者支持多線程的芯片及加速器的多處理器平臺，以支持各種高級應用和服務。

(5)處理器技術進一步發(fā)展，出現從65nm到45nm、32nm、22nm乃至10nm的工藝水平。

(6)網絡中隨處可見可擴展的封裝與反病毒技術。

(7)家庭網絡將越來越復雜，包含了各種數據通信與娛樂功能。

(8)在家庭、辦公室及野外能夠實現無縫移動性。

與傳統(tǒng)的PC應用程序或者服務器應用程序相比，考慮到內核速度與內存I／O延遲等的本質性差異，如今的嵌入式處理器體系結構并不能提供可觀的性能，無法滿足先前提到的聯網計算場景的需求。

現在．幾乎所有批量生產的商業(yè)性處理器都是基于單線程體系結構技術設計的，這必然受到性能和應用方面的諸多標準限制。隨著應用變得越來越依賴于網絡，這種傳統(tǒng)的處理器設計技術將無法滿足聚合計算與網絡范式的吞吐量需求。

這種基于“包”的計算環(huán)境特點在于大數據量訪問帶來的延遲，使用傳統(tǒng)的處理器體系結構無法進行有效管理。這個問題將會嚴重影響處理器的性能和工作效率。如果內存處理不能得到立即響應，并且也沒有彌補的指令可以執(zhí)行，那么傳統(tǒng)的處理器將暫停運行，造成處理周期的損失。

SoC-PE用戶與SOC-MC／AE網絡體系結構

將“廣義摩爾定律”加入到設計中，能夠得到一個聚合的、整合的異構平臺，能夠創(chuàng)建一個可擴展的、智能的、堅實的增值環(huán)境。這種基于使用三種“摩爾定律”的可擴展性得到的SoC-PE平臺。將成為一種重要的發(fā)展方向。

在2005年初，ITRS就引入了SoC-PE體系結構模板，其中的PE是指為了滿足可移植性與無線應用(如智能媒體電話或者數碼相機芯片)等特定功能，以及高性能計算和企業(yè)級應用等需求而定制的處理器。

作為這種SoC-PE體系結構的補充，又定義了一種多核／加速引擎(MC／AE)的系統(tǒng)級芯片體系結構模板，用來解決網絡相關問題。這種MC／AE的SoC網絡平臺包含了以下必需的功能模塊：

(1)支持多核技術，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緩存，內部的L2與多個L3共享緩存和多個內存控制器。

(3)支持高速的互連接性。

(4)引入了一種可擴展的芯片內連接，能夠實現并行、無阻塞、基于硬件、100％使用緩存的平臺連接性，它最多可支持32個內核，且支持異構內核。

(5)為了滿足多核技術的需求，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)包含了一個按需提供的加速引擎，通過純內核處理周期、低能耗實現和減少用硅量成本來提高性能優(yōu)勢。