ITRS的工序路線圖與新一代嵌入式多核SoC設(shè)計

在網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)項目組在他們的15年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展預(yù)測中認(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。


總的來說，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。所有這些都能對嵌入式網(wǎng)絡(luò)空間起到顯著影響，使用系統(tǒng)級芯片體系結(jié)構(gòu)通常會用到以下技術(shù)：多核(MC)、分級緩存、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)加起來就能夠提供一個可擴(kuò)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(yīng)用程序需求，通過這些新的服務(wù)實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)展各種用戶體驗。

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(shù)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(nèi)存的物理特性各個方面都呈現(xiàn)幾何級規(guī)模的持續(xù)增長，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)以及對應(yīng)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(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(shù)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(qiáng)組件)。將這些技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)板級／特定封裝級(SiP，系統(tǒng)內(nèi)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(shù)發(fā)展的一個方面。

將“摩爾定律”與“超越摩爾定律”聯(lián)合起來，就能夠得到系統(tǒng)級芯片或者系統(tǒng)內(nèi)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(shè)計中的功能多樣化

國際電信聯(lián)盟無線通信部(ITU-R)正在研究未來系統(tǒng)中的用戶需求預(yù)測。例如在即將到來的2010年，為了滿足IMT-2000(國際移動通信標(biāo)準(zhǔn))及更先進(jìn)的技術(shù)需要，預(yù)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(wǎng)絡(luò)(例如PSTN／ISDN／IP)及各種其他移動特有服務(wù)的支持下，能夠訪問各種電信服務(wù)。IMT-2000主要特性包括：

(1)通過各種服務(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5～15年，還將有以下發(fā)展趨勢：

(1)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性進(jìn)一步增強(qiáng)，在任何時間、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)在市場上，終端用戶將是創(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)裝備多個內(nèi)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(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)中隨處可見可擴(kuò)展的封裝與反病毒技術(shù)。

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

(8)在家庭、辦公室及野外能夠?qū)崿F(xiàn)無縫移動性。

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，無法滿足先前提到的聯(lián)網(wǎng)計算場景的需求。

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)用變得越來越依賴于網(wǎng)絡(luò)，這種傳統(tǒng)的處理器設(shè)計技術(shù)將無法滿足聚合計算與網(wǎng)絡(luò)范式的吞吐量需求。

這種基于“包”的計算環(huán)境特點(diǎn)在于大數(shù)據(jù)量訪問帶來的延遲，使用傳統(tǒng)的處理器體系結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行有效管理。這個問題將會嚴(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)計中，能夠得到一個聚合的、整合的異構(gòu)平臺，能夠創(chuàng)建一個可擴(kuò)展的、智能的、堅實(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。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，以及高性能計算和企業(yè)級應(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)級芯片體系結(jié)構(gòu)模板，用來解決網(wǎng)絡(luò)相關(guān)問題。這種MC／AE的SoC網(wǎng)絡(luò)平臺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緩存，內(nèi)部的L2與多個L3共享緩存和多個內(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(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)包含了一個按需提供的加速引擎，通過純內(nèi)核處理周期、低能耗實(shí)現(xiàn)和減少用硅量成本來提高性能優(yōu)勢。