多核設(shè)計(jì)大行其道注重差異化戰(zhàn)略是關(guān)鍵

32位MCU內(nèi)核對(duì)任何廠商而言都不是一件輕松的事情。為了加快上市時(shí)間、降低開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化，使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)、成熟的內(nèi)核來(lái)開(kāi)發(fā)SoC不失為一種明智的選擇。目前，提供可授權(quán)內(nèi)核的廠商包括ARM、MIPS、Tensilica等公司，他們對(duì)技術(shù)和市場(chǎng)的理解能夠?yàn)?2位MCU的發(fā)展方向提供一些有益的借鑒。

差異化戰(zhàn)略成為業(yè)界共識(shí)

MIPS公司處理器業(yè)務(wù)部市場(chǎng)副總裁Jack Brown認(rèn)為，在65nm SoC時(shí)代，差異化比CPU更為重要。舉例而言，一般SoC大致由4部分組成，從功能上可以劃分為：控制平面，在這里可以是MIPS或ARM 處理器，主要完成控制功能;數(shù)據(jù)平面，在這里可以使用DSP、硬件加速器，完成系統(tǒng)級(jí)芯片大量的算術(shù)運(yùn)算;嵌入式存儲(chǔ)器、庫(kù)以及模擬外設(shè)，包括各種轉(zhuǎn)換器、電源管理器件以及射頻器件;連接各部分的總線或互聯(lián)。

強(qiáng)調(diào)，MIPS通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)隨著工藝逐漸轉(zhuǎn)向65nm或45nm，客戶(hù)面臨的模擬方面的困難越來(lái)越多。但模擬部分的差異化較小，開(kāi)發(fā)難度卻很大，所以客戶(hù)需要購(gòu)買(mǎi)IP。這樣，如果客戶(hù)需要開(kāi)發(fā)差異化產(chǎn)品，他們應(yīng)當(dāng)把精力放到外設(shè)、數(shù)據(jù)處理、多媒體功能、加密等數(shù)據(jù)平面部分的開(kāi)發(fā)上，從而實(shí)現(xiàn)硬件差異的最大化。而這也是為什么MIPS選擇收購(gòu)Chipidea公司的原因。

Browne強(qiáng)調(diào)了MIPS在IP業(yè)務(wù)上的全面性。收購(gòu)Chipidea后，MIPS目前可提供電源管理/音頻IP、USB/HDMI連接IP，以及便攜設(shè)備/無(wú)線IP等多種解決方案。此外，MIPS還通過(guò)提高特定類(lèi)型應(yīng)用性能(Application Specific Extensions)，以及利用CorExtend增加專(zhuān)有指令，使硬件與芯核緊密耦合來(lái)滿(mǎn)足特殊應(yīng)用的需求。

Tensilica公司總裁兼首席執(zhí)行官Chris Rowen博士也認(rèn)為差異化設(shè)計(jì)確實(shí)是客戶(hù)成功的關(guān)鍵。他表示，目前IP產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)來(lái)自于兩方面：一個(gè)是IP開(kāi)發(fā)復(fù)雜、投入巨大;另外一個(gè)，是IP的成功建立在客戶(hù)IC開(kāi)發(fā)成功、市場(chǎng)成功的基礎(chǔ)之上，這注定了IP收益周期長(zhǎng)、見(jiàn)效慢。

那么，該如何幫助客戶(hù)實(shí)現(xiàn)差異化呢?Rowen認(rèn)為，客戶(hù)應(yīng)該具備先進(jìn)的系統(tǒng)知識(shí)和經(jīng)營(yíng)?，采用優(yōu)秀的IP和先進(jìn)工藝、提高性能、增加系統(tǒng)靈活性并降低功耗和成本。以北京新岸線公司(Nufrontsoft)為例，他們通過(guò)使用Tencilica Xtensa可配置處理器，不但同時(shí)實(shí)現(xiàn)了芯片控制和DSP算法處理，而且在四個(gè)月內(nèi)就快速完成了低功耗手機(jī)電視SoC的開(kāi)發(fā)。

相比模擬IP的授權(quán)，ARM的數(shù)字IP授權(quán)模式更為靈活。該公司COO Tudor Brown稱(chēng)，目前全球已經(jīng)有包括TI、高通、三星在內(nèi)的200多家基于ARM內(nèi)核處理器的公司，ARM的商業(yè)模式可以讓更多人分享回報(bào)。而軟件的可重用性、工具鏈的完整性、內(nèi)核的安全性、工程師對(duì)處理器的了解和開(kāi)發(fā)的熟練程度，則是系統(tǒng)廠商選擇處理器的出發(fā)點(diǎn)。

F1: 圖1 SoC IP 授權(quán)與內(nèi)部開(kāi)發(fā)的對(duì)比

多核在嵌入式SoC領(lǐng)域大行其道

隨著消費(fèi)電子、人機(jī)界面、互聯(lián)網(wǎng)接入、數(shù)字多媒體等新興應(yīng)用的涌現(xiàn)，業(yè)界對(duì)多核技術(shù)的期望值也在節(jié)節(jié)攀升。而在嵌入式領(lǐng)域，不斷提高處理器主頻的做法已經(jīng)不能滿(mǎn)足不斷增加的性能要求，而且勢(shì)必造成功耗的增加。由于嵌入式系統(tǒng)的成本/功耗限制比PC更為嚴(yán)格，這就使得多核在嵌入式SoC領(lǐng)域有了充分的用武之地。

MIPS在2007年推出了單線程、頻率1.1GHz的74K內(nèi)核系列，仍然是采用了延長(zhǎng)流水線的方法。但顯然時(shí)鐘頻率不可能無(wú)限制提高，因此34K內(nèi)核系列就轉(zhuǎn)而采用單核多線程策略。此次，MIPS推出首款嵌入式多線程和多處理器可授權(quán) IP 核——MIPS32 1004K一致處理系統(tǒng)(Coherent Processing System)，實(shí)現(xiàn)了MIPS向多核戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)型。

作為多核技術(shù)的擁躉，從ARM11開(kāi)始，ARM公司就開(kāi)始支持多核架構(gòu)。而2007年推出的Cortex-A9將性能又提高了一個(gè)級(jí)別。通過(guò)對(duì)稱(chēng)多處理 (SMP)的方式，Cortex-A9可以實(shí)現(xiàn)8000DMIPS的性能，而且采用代碼向后兼容。當(dāng)系統(tǒng)需要更高的性能時(shí)，就可以用多核處理器替換單核處理器，方便客戶(hù)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。

Tensilica公司的可配置處理器也支持多核架構(gòu)。例如思科CSR-1路由器的核心-硅包處理器(Silicon Packet Processor)內(nèi)就集成了188顆Tensilica的可配置處理器內(nèi)核。同時(shí)，可配置處理器也可以和其他處理器內(nèi)核搭配使用，構(gòu)成非對(duì)稱(chēng)多處理的架構(gòu)。

F2: MIPS 32位處理器系列

多內(nèi)核與多線程

多核方案一般包括對(duì)稱(chēng)多處理(Symmetrical Multi-Processing)、非對(duì)稱(chēng)多處理(Asymmetric Multi-Processing)和混合多處理(Bound Multi-Processing)三種。Chris Rowen認(rèn)為多內(nèi)核和多線程是不同的技術(shù)，側(cè)重點(diǎn)不同。他表示多線程是有意義的，但是其意義只是針對(duì)一些特殊應(yīng)用，比如網(wǎng)絡(luò)。但同時(shí)也必須看到，多線程帶來(lái)的處理器設(shè)計(jì)復(fù)雜性、功耗面積開(kāi)銷(xiāo)，以及軟件調(diào)試的復(fù)雜性增加都是非常明顯的。因此，他堅(jiān)定的認(rèn)為多內(nèi)核是Tensilica的發(fā)展方向，而不是多線程。

Jack Browne則強(qiáng)調(diào)多線程和多內(nèi)核是互補(bǔ)的技術(shù)。因?yàn)槎嗑€程的優(yōu)勢(shì)在于可以?xún)?yōu)化每個(gè)CPU的流水線利用率，以實(shí)現(xiàn)最低的額外芯片成本，同時(shí)減少系統(tǒng)對(duì)更多 CPU的需求。為了盡量避免處理單元與內(nèi)存控制器在資源分配上的沖突，多線程或許會(huì)來(lái)得更為復(fù)雜一些，但多內(nèi)核架構(gòu)其實(shí)在某些程度上也會(huì)面臨同樣的問(wèn)題(特別是共享高速緩存與內(nèi)存控制器的多核心架構(gòu))。因此，將二者結(jié)合起來(lái)將更有助于解決同樣的問(wèn)題，即憑借具有成本優(yōu)勢(shì)的存儲(chǔ)系統(tǒng)改善處理器的性能效率，同時(shí)提供基于SMP操作系統(tǒng)的相同的編程模型。

關(guān)注32位MCU市場(chǎng)

MCU是目前最大的半導(dǎo)體產(chǎn)品市場(chǎng)之一，而32位MCU的競(jìng)爭(zhēng)已是非常激烈。瑞薩、NEC、Freescale、NXP、Microchip都是該玩家陣營(yíng)的成員。Jack Browne表示，未來(lái)MIPS的市場(chǎng)策略就是關(guān)注數(shù)字家庭和無(wú)線市場(chǎng)，并戰(zhàn)略性地進(jìn)入32 位MCU市場(chǎng)。2007年，Microchip通過(guò)獲得MIPS32 M4K內(nèi)核的授權(quán)，順利進(jìn)入32位市場(chǎng)就是該戰(zhàn)略的體現(xiàn)。