富士通Custom SoC：大數(shù)據(jù)背后的高性能設(shè)計(jì)的功耗挑戰(zhàn)

　　歲末年初，當(dāng)我們回顧2014年產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展時(shí)，少不了IoT(物聯(lián)網(wǎng))和Big Data(大數(shù)據(jù))這兩個(gè)2014年科技界人們談?wù)撟疃?，捧的最高的科技名詞。在IEEE公布的2014 TOP10熱搜排行榜上，他們也榜上有名。不過(guò)，撥開(kāi)他們?nèi)A麗的外衣，我們看到的是隱于其背后的各種先進(jìn)的高性能及超低功耗半導(dǎo)體技術(shù)令人驚喜的發(fā)展。

　　功耗成為HPC和Networking的關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　毫無(wú)疑問(wèn)，IoT促進(jìn)了低功耗的發(fā)展，但是，這只是問(wèn)題的一個(gè)方面。另一方面，無(wú)所不在的移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生了巨大的數(shù)據(jù)洪流，越來(lái)越多的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)也產(chǎn)生了龐大的數(shù)據(jù)集，一些數(shù)據(jù)流只是在網(wǎng)絡(luò)上流過(guò)而已。而有些會(huì)進(jìn)行精細(xì)的分析，例如，從監(jiān)控圖像流中找出綁架了兒童的汽車牌照，或者每月才出現(xiàn)一次的希格斯玻色子等。大數(shù)據(jù)迫使我們大幅度提高網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算帶寬。不過(guò)，在為數(shù)據(jù)中心加速的同時(shí)，功耗的問(wèn)題就擺在眼前。

　　“大多數(shù)人們對(duì)于能耗受限的深切認(rèn)識(shí)到來(lái)源于移動(dòng)設(shè)備的電源續(xù)航能力的限制，這就給我們?cè)斐闪艘环N錯(cuò)覺(jué)，以為只有移動(dòng)設(shè)備是功耗敏感的應(yīng)用，其實(shí)，在諸如數(shù)據(jù)中心等的高性能計(jì)算(HPC)及網(wǎng)絡(luò)(Networking)領(lǐng)域，對(duì)于功耗的要求更加的苛刻?！?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/富士通">富士通半導(dǎo)體市場(chǎng)部經(jīng)理陳博宇(Alex Chen)先生在一年一度的中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)年會(huì)暨中國(guó)內(nèi)地與香港集成電路產(chǎn)業(yè)協(xié)作發(fā)展高峰論壇(簡(jiǎn)稱ICCAD峰會(huì))上表示。

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　　富士通半導(dǎo)體市場(chǎng)部經(jīng)理陳博宇 在ICCAD上演講

　　和手機(jī)固定功率的電源不同，數(shù)據(jù)中心的電源是永遠(yuǎn)開(kāi)啟的，整個(gè)機(jī)房的每個(gè)芯片無(wú)時(shí)無(wú)刻不在工作，對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)，包括散熱系統(tǒng)的壓力巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)：當(dāng)服務(wù)器小于1萬(wàn)臺(tái)，全年耗電約0.35億千瓦時(shí)(電是次要因素);當(dāng)服務(wù)器小于10萬(wàn)臺(tái)，全年耗電約3.5億千瓦時(shí)(電是重要因素);當(dāng)服務(wù)器小于50萬(wàn)臺(tái)，全年耗電約17.5億千瓦時(shí)(電是主要成本);當(dāng)服務(wù)器小于100萬(wàn)臺(tái)，全年耗電約35億千瓦時(shí)(電是TOP1成本)。

　　而和消費(fèi)類的應(yīng)用非常不同，在通信領(lǐng)域，對(duì)每個(gè)板卡的功耗都有要求，只有達(dá)到每塊板卡的功耗要求，整個(gè)系統(tǒng)的功耗才能達(dá)標(biāo)?！霸诟咝阅軕?yīng)用領(lǐng)域，億門(mén)級(jí)的設(shè)計(jì)規(guī)模使得芯片的復(fù)雜度增加，如何在功耗上進(jìn)行優(yōu)化，而又能達(dá)到性能要求，這是在大規(guī)模設(shè)計(jì)上特別要考慮的?！?陳博宇指出。

　　多種方法應(yīng)對(duì)高性能設(shè)計(jì)的功耗挑戰(zhàn)

　　現(xiàn)在的高速低功耗設(shè)計(jì)，最多有超過(guò)7億多門(mén)級(jí)電路和超過(guò)2GHz的工作頻率的設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)人員需謹(jǐn)慎評(píng)估如何在最短的設(shè)計(jì)周期內(nèi)，針對(duì)整個(gè)芯片的低功耗策略做定義及最佳化，并思考如何讓封裝設(shè)計(jì)滿足超高的功耗。

　　大規(guī)模版圖設(shè)計(jì)能夠幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)高速低功耗設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如下圖所示2，富士通半導(dǎo)體的協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化了芯片、IP、及從封裝到板級(jí)設(shè)計(jì)等所有方面。為使其達(dá)到性能最優(yōu)化，貫穿規(guī)劃，設(shè)計(jì)，建模和分析所有過(guò)程，富士通半導(dǎo)體使用了可以預(yù)估的電源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，并使用了層次化的電源網(wǎng)絡(luò)分析，這種分析可以優(yōu)化電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并且最小化全芯片的功耗。低噪聲的芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)可以承受超過(guò)300瓦的功耗。

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　　大規(guī)模版圖設(shè)計(jì) 幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)高速低功耗設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　此外，特別值得一提的是富士通半導(dǎo)體獨(dú)特的ASV(Adapter Support Voltage)技術(shù)。如下圖3所示，該技術(shù)用以監(jiān)控制程(process)的快慢。

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　　全功耗設(shè)計(jì)解決方案應(yīng)對(duì)高速低功耗設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　陳博宇進(jìn)一步解釋：“因?yàn)榫A廠的制程存在快(fast)、慢(slow)、標(biāo)準(zhǔn)(typ)的狀態(tài)，在芯片中放置’Process Monitor’，使得我們可以讀出制程的參數(shù)，這樣就能知道電源的大小，例如，如果我們讀出是偏快的制程，就可以幫助降低電壓，因?yàn)楣β适呛碗妷旱钠椒匠烧龋越档碗妷壕湍芙档凸?，ASV技術(shù)就像一個(gè)彈簧一樣，把芯片拉向typ。”

　　再次，高性能封裝解決方案在應(yīng)對(duì)功耗挑戰(zhàn)上必不可少。富士通半導(dǎo)體在高性能封裝市場(chǎng)也處于領(lǐng)先地位，在開(kāi)發(fā)這些高可靠性封裝的過(guò)程中，富士通半導(dǎo)體進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪M，優(yōu)化了技術(shù)原型。如下圖4所示。

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　　高性能封裝解決方案應(yīng)對(duì)高速低功耗設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　“我們的球形封裝技術(shù)支持到超過(guò)4000個(gè)pin腳，并且每一邊的封裝尺寸可以到達(dá)60mm，我們的多層基板封裝設(shè)計(jì)可以支持到32層，對(duì)于BGA封裝，我們獨(dú)特的金屬TIM實(shí)現(xiàn)了超低Theta JC，Theta JC小于0.05度，并通過(guò)了最新的熱阻測(cè)量技術(shù)驗(yàn)證。我們正在為中央處理器和服務(wù)器，研制新一代2.5和3D封裝技術(shù)。” 陳博宇表示。