SoC的另类设计哲学:可组态性处理器IP

技术分类: 嵌入式系统  | 2008-03-04
来源:DIGITIMES | 作者:郭长佑

  实行可组态性处理器IP的动机

  前面提到,为了更高的设计弹性、为了更切合设计要求,所以需要可组态性处理器IP,但「弹性」、「要求」仍是相当浮泛的概念性形容,以下将更具体说明实行可组态性处理器IP的动机。

  1.减少芯片电路面积

  将原本的多芯片系统整合成SoC,为的就是要精省系统电路面积,同时也精省实现成本,不过要将原有的多芯片整合成单芯片,多半要对电路功效进行权衡取舍,甚至牺牲部分规格、性能、功效,所以设计时都会尽力缩小各功效电路面积,而可组态性处理器IP因具备更高弹性,能将「电路面积」视为第一要求,组态出占用面积最小的处理核心。

  2.减少芯片的功耗用电

  许多SoC是用于手持式应用装置中,手持式应用装置除力求芯片小体积化外,也相当讲究功耗用电,原因是手持装置的电池电力有限。此外能源成本愈来愈高,用于机房设备内的芯片也得讲究省电,其它各类应用芯片亦有类似趋势发展。因此,可组态性处理器IP在组态时,即能针对功耗用电进行最佳化设计。

  3.增加芯片的运算效能、反应速率

  能以电路面积来组态、能以功耗用电来组态,那么也可以从运算效能为取向来进行组态,尤其是硬性实时控制(Hard Real-Time Control)的应用格外有需求。事实上,一直以来处理器首要讲究的特性表现,是价格效能比(Price/Performance Ratio),近年来才开始重视功耗用电性的每瓦效能比(Performance Per Watt)。

  4.减少芯片的授权成本

  使用处理器IP要支付一笔技术授权费,且在SoC设计完成、投入量产后,还要针对每颗出厂后的SoC抽取量产权利金,为了减少授权费及权利金等成本支出,实行可组态作法有机会减少此方面的成本支出,例如不需要浮点运算单元则在组态设计时将可弃舍该单元,需要数字信号处理单元才放入该单元,透过逐项的权衡增减,有可能降低整体「技术授权费/量产权利金」成本。即便不能减少「技术授权费/量产权利金」成本,电路面积也可以获得精省,进而让芯片投产成本得到精省(与前述的第一项动机相近)。

  5.针对SoC的应用进行最佳化

  SoC的应用非常多,有的是数字相机(DSC)的SoC,有的是可携式媒体播放器(PMP)的SoC,或是导航机(PND)的SoC,不同的SoC其应用设计也不同,例如DSC SoC不重视音讯处理,而PND SoC只专注静态视讯处理及简易的音讯处理,但却需要重视数字信号的处理(接收卫星定位信号后的相关处理),至于PMP、STB(视讯机上盒)则重视动态、高质量的音/视讯处理,也重视信号处理(接收、处理节目信号)。

  由上可知,不同的执行处理特性、不同的运算负荷度,若用单一架构处理器IP则难以满足设计,而可组态性处理器IP却可以针对不同的应用需求来进行组态,以合乎各种应用取向的SoC设计。

  可组态性处理器IP的隐忧

  虽可组态性处理器IP有如上的5种优点,但也不表示没有缺点,事实上,随半导体技术及市场演化,可组态性处理器也面临一些隐忧、威胁,以下我们简要讨论。

  1.工艺持续缩密,芯片面积资源获得宽解

  芯片的缩密工艺技术仍持续精进,从90nm、65nm、到45nm,并持续往下探,使芯片电路面积成本愈来愈低,因此芯片设计者已不如过往般重视面积成本,事实上处理器的多核化发展,无论是同质多核、异质多核,都表示「透过电路面积倍增的作法来争取效能提升」已属可行、值得。如此,透过组态作法让执行核心的面积最佳化,此种需求将逐渐减少。

  2.芯片上市的时间压力愈来愈大

  使用IP为的就是要节省芯片设计的验证心力、加速芯片的开发,让芯片更早上市销售,而今市场竞争更加激烈,芯片Time To Market压力比过去更大,使许多SoC项目都舍弃从Soft IP阶段开始设计,直接取用Hard IP加速设计。

  然而可组态性处理器IP可说是比Soft IP更Soft(软)性的IP,是从「比Soft IP」更前期的设计阶段开始着手,好处是获得更高的设计弹性,但相对的就是增加SoC的设计时间,甚至为实现组态化而必须学习、熟悉另一套前期设计工具,即处理器的组态工具。

  3.软件风险

  此点前面已约略提及,事实上,除有软件移植性、兼容互通性等疑虑,软件的后续维护也将令人担忧,同时协力业者提供的宏程序(Macro)也可能无法立即适用,这些都须再行斟酌、调修。特别是软件开发、维护成本在整体SoC方案中所占的比重愈来愈高,许多原有以硬件电路方式设计成的功效,而今多半转成软件方式实现。

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