微處理器大師的IC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

即便放眼整個(gè)IC行業(yè)，像Chris Rowen博士這般愛(ài)談技術(shù)，同時(shí)又可以講得如此深入淺出的，著實(shí)少見(jiàn)。他幾乎經(jīng)歷過(guò)微處理器的所有起起伏伏，前世今生。他是RISC架構(gòu)的奠基人之一，分別參與了Intel和MIPS公司的大躍進(jìn)時(shí)代，如今，又帶著一種全新SoC架構(gòu)的理念，在或多或少地改變著我們的數(shù)字時(shí)代。

　　1、我看過(guò)您寫的“復(fù)雜SoC設(shè)計(jì)”，非常喜歡的第8章(Chris Rowen：“SOC設(shè)計(jì)的未來(lái)”哈哈)。恩您還記得。因?yàn)槟愕乃蓄A(yù)言都應(yīng)驗(yàn)了，這非常有趣。所以我的問(wèn)題是，您如何看待再6年之后的SoC設(shè)計(jì)，或者說(shuō)和SoC設(shè)計(jì)有關(guān)的那些技術(shù)趨勢(shì)?

　　Chris Rowen ：哇，這個(gè)問(wèn)題還不賴!我認(rèn)為這個(gè)市場(chǎng)的大方向還是相當(dāng)清楚的?？纯词袌?chǎng)層面的基本趨勢(shì)，再看看技術(shù)層面的基本趨勢(shì)，你就可以看到他們?cè)谀睦镏睾?。就技術(shù)而言，你會(huì)發(fā)現(xiàn)摩爾定律(Moore’s Law)作為經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力的事實(shí)。但是摩爾定律真正有趣的部分在于，第一，是“集成度(Density)持續(xù)提高”。每隔2年半或者3年，硅密度就要提高一倍，這意味著近一倍成本的降低，讓射頻產(chǎn)品中的數(shù)字模塊集成度越來(lái)越高。這也意味著，各種系統(tǒng)都在規(guī)模(Scale)上變得越來(lái)越小。所以無(wú)論是電腦亦或消費(fèi)電子設(shè)備，每一個(gè)系統(tǒng)的目的都是集成于同一塊芯片。這就變得有趣起來(lái)。因?yàn)樵谶^(guò)去，你可以生產(chǎn)通用(Generic)存儲(chǔ)器，通用處理器，通用射頻，諸如此類，然后一股腦兒放在一塊兒，建一個(gè)非常牛逼的專用(Specific)系統(tǒng)。但是在今天，事情都顛過(guò)來(lái)了。你更希望把一坨不同的功能集合到一塊芯片上。當(dāng)然在這個(gè)意義上，你還是得搞出一塊專用芯片。但是挑戰(zhàn)變大了，因?yàn)樾酒旧硇枰訉Ｗ⒂谀骋粋€(gè)特殊應(yīng)用，而應(yīng)用處理器、內(nèi)部總線等等其他玩意兒，也要變得更小更強(qiáng)更快!

　　另一件吊詭的事就是，摩爾定律并沒(méi)有在晶體管層面帶來(lái)太多的功率改進(jìn)。在過(guò)去，當(dāng)東西變小了，功率自然就降低了，所以工程師也壓根不需要操心什么芯片架構(gòu)(Architecture)。而現(xiàn)在，如果工程師想要優(yōu)化功耗，首先就要優(yōu)化架構(gòu)。他得考慮我怎么著才能更有效地完成這個(gè)計(jì)算?譬如用更少的晶體管門或者運(yùn)算周期，甚至在這個(gè)任務(wù)不運(yùn)行的時(shí)候關(guān)閉掉相應(yīng)子系統(tǒng)?？傊?，這活兒變智能(Intelligent)了。

　　所以舉個(gè)例子啊，比如你想做個(gè)手機(jī)，就必須要注意區(qū)分不同的使用場(chǎng)景，譬如聽(tīng)音樂(lè)、看YouTube視頻、發(fā)短信、上網(wǎng)，或者煲電話，這些都是完全不同的情景。你得關(guān)掉所有沒(méi)用的子系統(tǒng)。更細(xì)心，更積極。因此對(duì)于芯片設(shè)計(jì)師(Chip Architect)或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，這是最好的時(shí)代。因?yàn)橛羞@么多的事兒可做。但對(duì)于一個(gè)晶體管工人(Transistor Guy)而言，這可真是最壞的時(shí)代啊!一切都已經(jīng)上升，已經(jīng)上升到系統(tǒng)或者應(yīng)用的級(jí)別。這就是技術(shù)領(lǐng)域正在發(fā)生的大事件。

　　2、未來(lái)幾年市場(chǎng)方面的變化呢?

　　Chris Rowen ：說(shuō)到市場(chǎng)。我認(rèn)為最大的趨勢(shì)是一切都已經(jīng)移動(dòng)起來(lái)，因?yàn)槿藗兊纳罘绞揭呀?jīng)徹底改變了。當(dāng)你可以隨身攜帶那么多的設(shè)備，就會(huì)希望能夠持續(xù)地連接到互聯(lián)網(wǎng) 上。這種影響不僅表現(xiàn)在設(shè)備上，還表現(xiàn)在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施，以及云計(jì)算上。而且經(jīng)濟(jì)層面的機(jī)會(huì)，將會(huì)隨之變得非常，非常深遠(yuǎn)。因?yàn)槟銜?huì)看到，譬如在這種設(shè)備(Chris拿起手里的iPhone開(kāi)始演示)的層面，無(wú)線連接的帶寬起碼還要提高30倍。為了獲得足夠豐富的娛樂(lè)體驗(yàn)，我們或許需要幾十甚至幾百兆比特的帶寬。在世界每一個(gè)地區(qū)，高端用戶越來(lái)越多。中國(guó)就是一個(gè)鮮活的例子。不光如此。在印度、南美、非洲、加勒比海地區(qū)，人人都希望持續(xù)不斷地連接到互聯(lián)網(wǎng)。

　　所以，你必須很好地設(shè)定人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的期望值?，F(xiàn)在有10倍的寬帶人口增長(zhǎng)每個(gè)人都有30倍的寬帶需求，因此就有了300倍的寬帶要求。而系統(tǒng)的每 個(gè)層面都需要滿足這種需求。對(duì)于無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施制造商來(lái)說(shuō)，他們的機(jī)會(huì)是巨大的。譬如華為。但是制造商是沒(méi)可能贏得300倍收入的。有可能獲得更多的收入， 但不是三百倍以上。因此，他們必須在得到大幅增加帶寬的同時(shí)，大幅降低資金成本(Capital Cost)和經(jīng)營(yíng)成本(Operate Cost)。

　　3、那么接下來(lái)在SoC設(shè)計(jì)上會(huì)有什么事情發(fā)生?

　　Chris Rowen ：你可以看下無(wú)線基站作為例子。傳統(tǒng)意義而言，它們是昂貴的。你可以找些通用芯片、通用DSP、通用FPGA?？墒墙裉?，為了滿足對(duì)帶寬的要求，您需要更 多的高度定制的SoC，芯片平臺(tái)和軟件的需求也上升很快。所以這將使集成度更高，每塊芯片上集成更多的DSP，而每塊DSP上嵌入更多的軟件程序，甚至是 軟件內(nèi)容的爆炸性發(fā)展。

　　有趣的是，每部分網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(Network Infrastructure)的功耗都是巨大的。那么即便為綠色節(jié)能考慮，減少為更加緊密集成的系統(tǒng)都是異常重要的?；緦⒚黠@變小，這意味著整個(gè)基站 都可變成塔頂?shù)囊粋€(gè)小盒子，而不是……裝在塔頂可是簡(jiǎn)單很多。

　　當(dāng)然在系統(tǒng)層面，你一旦降低成本以后降低功耗也就水到渠成。所以這兩者之間是一個(gè)非常良性的關(guān)系。關(guān)鍵是硅晶圓的集成。這也是Tensilica會(huì) 如此迅速成長(zhǎng)成為世界領(lǐng)先的DSP內(nèi)核供應(yīng)商之一的原因。

　　甚至可以看到這種變化體現(xiàn)到了云計(jì)算上。因?yàn)楝F(xiàn)在你需要300倍的帶寬，也就相應(yīng)地對(duì)視頻服務(wù)、視頻壓縮、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)，如此等等， 都提出了更高的需求。而所有這些事情，真的都是很復(fù)雜的應(yīng)用程序呢。

　　不過(guò)有趣的是，他們都是些并行的應(yīng)用程序。這是個(gè)好消息。因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)業(yè)已經(jīng)發(fā)生的一件事情便是，單個(gè)微處理器的速度已經(jīng)很難再提高了。Intel在1990年，戲劇性地發(fā)現(xiàn)了單處理器性能呈指數(shù)增長(zhǎng)的改善。但是他們也旋即發(fā)現(xiàn)當(dāng)處理器頻率達(dá)到約3.5到4GHz的時(shí)候，功率密度(Power Density)遇到了瓶頸。于是，他們開(kāi)始嘗試多核技術(shù)。

　　還好人民群眾想做的事，基本都是天然就可以并行處理的。所以，你在做互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索(Internet Database Search)的時(shí)候，確實(shí)可以設(shè)置多內(nèi)核、多芯片，甚至多系統(tǒng)。因?yàn)槟愕牟樵冋?qǐng)求通常將被發(fā)往多個(gè)地點(diǎn)。所以在互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算的領(lǐng)域，運(yùn)用多核的機(jī)會(huì)無(wú)比 廣闊。

　　而且確實(shí)存在是一個(gè)問(wèn)題，就是你如何在有效的MIPS指令內(nèi)獲得足夠低的功耗?；蛘哒f(shuō)，如何在設(shè)計(jì)電池壽命最長(zhǎng)的移動(dòng)設(shè)備，和最可擴(kuò)展的服務(wù)器