Gửi tin nhắn

Tin tức

January 10, 2021

Các lựa chọn thiết kế phức tạp của hệ thống trên chip (SoC): Nền tảng thiết kế RISC-V và SoC

Tiến sĩ Jianying Peng tốt nghiệp Đại học Chiết Giang và hiện là giám đốc điều hành của Xinlai Technology.Ông chịu trách nhiệm chính về R & D và quản lý thị trường của bộ xử lý RISC-V và các sản phẩm liên quan khác.Cô có nhiều năm kinh nghiệm làm việc liên quan đến thiết kế bộ vi xử lý.Cô từng là giám đốc R&D cấp cao của bộ xử lý Synopsys ARC và thành lập trung tâm R&D của ARC Trung Quốc, đồng thời là giám đốc R&D của bộ phận CPU Marvel ARM.

1. Những yếu tố chính cần xem xét khi lập kế hoạch thiết kế SoC

Là một nhà cung cấp CPU IP, chúng tôi đã quan sát từ các khách hàng khác nhau rằng họ chủ yếu xem xét các yếu tố chính sau khi lập kế hoạch thiết kế SoC:

● Định nghĩa sản phẩm và các chỉ số kỹ thuật chính: Khách hàng nói chung có các thị trường mục tiêu và kịch bản ứng dụng, do đó, các định nghĩa về sản phẩm ban đầu tương đối rõ ràng, chẳng hạn như hiệu suất CPU (tần số, DMIPS / CoreMark và các điểm kiểm tra cơ bản khác) sẽ rõ ràng các yêu cầu Phạm vi, danh sách IP ngoại vi khác được yêu cầu và tần số, khu vực và mức tiêu thụ điện của chip tổng thể.

● Đặc điểm phần cứng và kiến ​​trúc tổng thể: Khi đã xác định được định nghĩa sản phẩm, bước tiếp theo là phân chia chức năng phần mềm và phần cứng, xác định đặc điểm mô-đun phần cứng và kiến ​​trúc SoC tổng thể (cấu trúc bus chính).Xác định toàn bộ kiến ​​trúc SoC thông qua các ứng dụng cụ thể và đánh giá thuật toán, bao gồm cấu trúc bus, số lượng và kết nối của Master / Slave, cấu trúc lưu trữ và các đặc điểm cụ thể của các mô-đun IP chính.Lấy CPU làm ví dụ, bạn có cần các đơn vị xử lý như DSP và FPU;cấu trúc lưu trữ (ICache / DCache, lệnh trên chip kết hợp chặt chẽ SRAM, dữ liệu trên chip kết hợp chặt chẽ SRAM) và dung lượng, và cấu trúc bus hệ thống bắt buộc.

● Hệ sinh thái phần mềm và thói quen người dùng: Hệ sinh thái phần mềm và thói quen người dùng là vô hình và vô hình, nhưng chúng rất cần thiết cho thiết kế SoC.Môi trường phát triển phần mềm (IDE, SDK, v.v.), chuỗi công cụ cơ bản (trình biên dịch, trình gỡ lỗi, v.v.), hỗ trợ hệ điều hành ... Tất cả đều liên quan đến hiệu quả và thói quen phát triển phần mềm của khách hàng đầu cuối chip.

● Hiệu quả toàn diện về thời gian, nhân lực và chi phí vốn: Hiệu quả chi phí cao là điều kiện cần thiết cho sự thành công của khách hàng thương mại.Mọi người đều hy vọng sẽ hoàn thành việc thiết kế và thẩm định phần mềm và phần cứng SoC trong thời gian ngắn nhất và tốn ít nhân lực nhất.Tất nhiên, họ cũng hy vọng rằng chi phí IP, các đoạn băng tiếp theo, chi phí đóng gói và kiểm tra là mức giá hợp lý nhất.

Tất nhiên, mức độ ưu tiên hoặc trọng lượng của các yếu tố này sẽ khác nhau đối với mỗi khách hàng.Kể từ khi thành lập cách đây 2 năm, Xinlai Technology đã chứng kiến ​​cuộc đổ bộ của RISC-V vào Trung Quốc.Ban đầu, đối với RISC-V mới nổi, hầu hết các công ty thiết kế SoC đều giữ thái độ chờ đợi vì môi trường phần mềm và thói quen của người dùng.Với sự phát triển mạnh mẽ của toàn bộ hệ sinh thái phần mềm và phần cứng của RISC-V, hiện nay chúng tôi thấy ngày càng nhiều khách hàng bắt đầu lựa chọn RISC-V vì lợi thế về hiệu quả chi phí, định nghĩa sản phẩm khác biệt và khả năng mở rộng linh hoạt.

2. Các tiêu chí chính dựa trên SoC chủ đạo hiện tại khi chọn IP lõi bộ xử lý là gì?Làm thế nào để đạt được thiết kế khác biệt?

Thực sự có một số tiêu chuẩn thống nhất nhất định để lựa chọn IP bộ xử lý trong quá trình thiết kế SoC, chẳng hạn như chỉ số phần cứng, chỉ số phần mềm, độ ổn định và giá cả.

Các chỉ số phần cứng chủ yếu bao gồm:

● Theo quy trình cụ thể, yêu cầu về tần số, khu vực, thông số tiêu thụ điện năng và điểm kiểm tra tiêu chuẩn CPU điển hình (DMIPS, CoreMark, v.v.);

● Các kết hợp tập lệnh khác nhau, chẳng hạn như tập lệnh RISC-V 32-bit hoặc RISC-V 64-bit, DSP, FPU chính xác đơn và kép, v.v.;

● Cấu trúc và kích thước đơn vị lưu trữ;

● Số lượng và mức độ ưu tiên của các ngắt, tốc độ phản hồi, v.v.;

● Loại giao diện bus được hỗ trợ và tỷ lệ tần số đồng hồ, v.v.

Các chỉ số phần mềm chủ yếu bao gồm:

● Môi trường phát triển phần mềm và nền tảng phát triển hoàn hảo (IDE, SDK, v.v.);

● Chuỗi công cụ hoàn thiện và ổn định (trình biên dịch, trình giả lập, trình gỡ lỗi, v.v.);

● Giao diện phần mềm tiêu chuẩn và thư viện phần mềm thuật toán phong phú, v.v.;

● Hỗ trợ phần mềm của bên thứ ba thân thiện ((Segger, IAR, Lauterbach, v.v.);

● Hỗ trợ hệ điều hành chính (RTOS, Linux, v.v.).

Tính ổn định chủ yếu là do IP của CPU cần được xác minh đầy đủ và nó phải có đủ độ mạnh trên các quy trình và nền tảng thử nghiệm khác nhau.Giá chủ yếu bao gồm phí ủy quyền và chi phí hỗ trợ và bảo trì tiếp theo.

Làm thế nào để cung cấp cho khách hàng những thiết kế cạnh tranh và khác biệt?Đây luôn là hướng đi mà Xinlai Technology đang tìm tòi và làm việc chăm chỉ.Hiện tại, chúng tôi chủ yếu xem xét các khía cạnh sau:

1) IP bộ xử lý có thể cấu hình cao

Tất cả các IP CPU RISC-V lõi đều bao gồm nhiều tùy chọn có thể cấu hình.Khách hàng có thể định cấu hình các tham số yêu cầu của họ thông qua giao diện đồ họa để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất mà không lãng phí tài nguyên bổ sung, chẳng hạn như số lượng ngắt và mức độ ưu tiên, kích thước ICache / DCache, bạn có cần lệnh trên chip và SRAM dữ liệu không, số chu kỳ nhân, vv Sau đó tạo mã cần thiết.

2) Khả năng mở rộng của tập lệnh RISC-V (hướng dẫn do người dùng xác định)

Trong định nghĩa tập lệnh RISC-V, một phần không gian mã hóa đã được dành riêng cho các lệnh do người dùng xác định và Công nghệ hạt nhân cung cấp giải pháp mở rộng NICE (Nuclei Instruction Co-Unit Extension).Khách hàng phân tích các thuật toán yêu cầu tăng tốc phần cứng và xác định các hướng dẫn tương ứng theo ứng dụng trong một lĩnh vực cụ thể.Dựa trên lõi của kênh vi xử lý RISC-V, giao diện NICE được dành riêng để nhận ra đơn vị gia tốc cho trường cụ thể.Bộ tăng tốc có thể chia sẻ dung lượng lưu trữ và các tài nguyên khác với kênh vi xử lý, có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ hiệu quả năng lượng và cũng có thể giúp khách hàng nhanh chóng phát triển sản phẩm với kiến ​​trúc khác biệt cho các lĩnh vực cụ thể.

3) Mô-đun tăng tốc phần cứng cho các phân khu

Đối với các thiết kế SoC trong các phân khu nhất định, Sina Technology cũng cung cấp các giải pháp tăng tốc phần cứng linh hoạt khác nhau, chẳng hạn như mô-đun tăng cường bảo mật vật lý của bộ xử lý, bước khóa lõi kép, mô-đun vectơ, mô-đun NPU, v.v.

3. Những công nghệ mới và xu hướng ứng dụng nào trong lĩnh vực thiết kế SoC đáng được quan tâm?

Với sự ra đời của kỷ nguyên 5G và AIoT, ngày càng có nhiều kịch bản ứng dụng thông minh ra đời, đồng thời xu hướng "thiết kế SoC chip do ứng dụng và phần mềm xác định" cũng đặt ra các yêu cầu mới về khả năng lặp lại sản phẩm nhanh chóng.Điều này có nghĩa là thiết kế SoC cần:

● Giải quyết các vấn đề của các tình huống thực tế cụ thể hiệu quả hơn

● Tốc độ phản hồi thị trường nhanh hơn

● Với sự khác biệt về tính năng và lợi thế về chi phí

Tôi nghĩ rằng thiết kế SoC hiện tại chủ yếu có các xu hướng chính sau:

● DSA (Kiến trúc miền cụ thể hoặc Bộ tăng tốc miền cụ thể), một bộ tăng tốc bộ đồng xử lý cho các ứng dụng chuyên dụng

Mục tiêu của DSA là cải thiện tỷ lệ hiệu quả năng lượng của điện toán, do đó nó có thể đáp ứng tốt hơn sự khác biệt, an toàn và kịp thời của thiết kế SoC cho thị trường.Làm thế nào để đạt được mục tiêu này?Một trong những khái niệm cốt lõi là "chuyên môn hóa trong ngành kỹ thuật".Trong lĩnh vực phần cứng, phần cứng chuyên dụng được sử dụng để đáp ứng nhu cầu của các lĩnh vực cụ thể.Nhưng điều này khác với phần cứng ASIC chung.DSA cần đáp ứng nhu cầu của một lĩnh vực và giải quyết một loại vấn đề hơn là một vấn đề đơn lẻ, vì vậy nó có thể đạt được sự cân bằng giữa tính linh hoạt và tính cụ thể.Liên quan đến lĩnh vực bộ xử lý, DSA có thể được hiểu là Bộ tăng tốc miền cụ thể, có nghĩa là, dựa trên quá trình xử lý chung, bộ tăng tốc cho các lĩnh vực nhất định được mở rộng để nâng cao hiệu quả giải quyết vấn đề trong lĩnh vực này.

● Nền tảng thiết kế SoC toàn ngăn xếp

Nền tảng thiết kế SoC full-stack có thể giảm đáng kể chu trình thiết kế SoC truyền thống và chi phí thiết kế.Nền tảng SoC một cửa có thể cung cấp giải pháp tổng thể cho thiết kế phần mềm và phần mềm SoC, thường bao gồm IP chung cơ bản, kiến ​​trúc SoC, các trường hợp thử nghiệm, hệ điều hành, trình điều khiển phần mềm, thư viện thuật toán, công cụ phát triển và các mô-đun khác cần thiết cho thiết kế SoC.Hiện tại, Singular Technology đã đưa ra giải pháp IP toàn bộ dựa trên bộ xử lý RISC-V của Singular cho MCU, AIoT và các lĩnh vực ứng dụng khác, bao gồm một mẫu SoC tổng thể được tích hợp trước (bao gồm thư viện IP cơ bản của Singular, IP hợp nhất giao diện và cấu trúc bus, v.v.), trình điều khiển phần mềm và phần cứng, thư viện thuật toán NMSIS, các ví dụ về hệ điều hành được cấy ghép đầy đủ và IDE / SDK riêng của Corelay và các môi trường phát triển khác.Cho phép khách hàng đảm bảo khả năng tùy chỉnh theo yêu cầu trong thiết kế SoC, không lãng phí tài nguyên, giúp khách hàng giảm đầu tư cho R&D, nâng cao hiệu quả và chất lượng R&D.

● chế độ ghép kênh IP mới chiplet

Trong thời kỳ hậu định luật Moore, sự tích hợp chip ngày càng cao, và thiết kế SoC ngày càng trở nên phức tạp hơn.Để giảm toàn bộ chu kỳ thiết kế SoC chip và tổng chi phí phát triển, chế độ Chiplet đã trở thành một xu hướng phổ biến.Chiplet thực sự là một con súc sắc với một số chức năng nhất định.Dựa trên mô hình Chiplet, trước tiên phân rã các chức năng phức tạp cần được thực hiện, sau đó phát triển hoặc sử dụng lại các khuôn hiện có với các nút quy trình khác nhau, vật liệu khác nhau và các chức năng khác nhau, và cuối cùng tạo thành một con chip hoàn chỉnh thông qua công nghệ đóng gói SiP (Hệ thống trong gói) .Vì vậy, Chiplet là một chế độ ghép kênh IP mới được cung cấp dưới dạng khuôn chip.

Ngoài việc giải quyết vấn đề lệch trục của mạch kỹ thuật số và mạch tương tự hoặc mạch giao diện trên các nút quy trình, Chiplet cũng có thể cung cấp tính linh hoạt cao hơn trong thiết kế SoC.Ví dụ, một số thiết kế SoC có các yêu cầu khác nhau về số lượng giao diện hoặc kênh tương tự trong các tình huống khác nhau.Nếu tất cả chúng được tích hợp trên một khuôn, chúng sẽ thiếu tính linh hoạt và khó đạt được hiệu suất, chức năng và diện tích tối ưu (hay còn gọi là PPA)..Chiplet giải quyết tốt hơn vấn đề về tính linh hoạt trong các tình huống thông qua kỹ thuật số và tương tự.Tất nhiên, chiplet cũng phải đối mặt với nhiều thách thức như tiêu chuẩn hóa giao diện, lượng dữ liệu khổng lồ giữa các giao diện gây ra mức tiêu thụ điện năng cao do sự liên kết giữa các khuôn và khuôn.Và các vấn đề khác.

4. Thiết kế SoC hiện tại phải đối mặt với những thách thức nào về hiệu suất, điện năng tiêu thụ và kích thước?Giải pháp là gì?

Với sự chậm lại của Định luật Moore, chi phí của công nghệ tiên tiến (28nm-> 22nm-> 14nm-> 7nm-> 5nm) tiếp tục tăng, thiết kế SoC không còn có thể chỉ hy vọng rằng nút quy trình thu nhỏ lại để đáp ứng hiệu suất, chức năng. và các yêu cầu về kích thước khu vực.

Trong thiết kế SoC, hiệu suất, chức năng và diện tích thường không được thỏa mãn cùng một lúc, và chúng tôi chỉ có thể cố gắng đạt được sự thỏa hiệp hoàn hảo.Ví dụ, các công nghệ tiêu thụ điện năng thấp như Clock Gating, Power Gating và Multiple Power Domains được sử dụng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất, nhưng cái giá phải trả là diện tích sẽ lớn hơn.Do đó, chiến lược thỏa hiệp PPA không có tiêu chuẩn nhất quán mà phải phân tích cụ thể dựa trên cơ sở áp dụng thực tế.

Do đó, tôi nghĩ rằng thiết kế SoC chỉ có thể được thiết kế theo yêu cầu, và thách thức của PPA có thể được giải quyết tốt hơn khi phù hợp.Tất nhiên, thiết kế theo yêu cầu này chủ yếu được phản ánh trong các điểm hỗ trợ tái sử dụng IP được đề cập ở trên:

● Có thể cấu hình linh hoạt các tham số IP-IP khác nhau có thể cấu hình cao theo yêu cầu PPA, không lãng phí diện tích và tiêu thụ điện năng với điều kiện đáp ứng hiệu suất;

● Nền tảng thiết kế SOC toàn ngăn xếp-Theo yêu cầu của PPA, bạn có thể chọn linh hoạt các mô-đun IP cần thiết và sử dụng giao diện IP thống nhất để giảm diện tích và tiêu thụ điện năng của kết nối IP;cung cấp giải pháp tổng thể cho phần mềm và phần cứng, đồng thời nâng cao hơn nữa khả năng phối hợp giữa phần mềm và phần cứng Thiết kế, phân chia chức năng hợp lý, giảm độ phức tạp trong thiết kế phần cứng, v.v.

5. Sự khác biệt giữa các yêu cầu thiết kế SoC trong Internet of Things và các lĩnh vực điện toán biên và điện toán di động / máy tính cá nhân là gì?Làm thế nào để chọn đúng lõi xử lý?

Từ máy tính cá nhân đến máy tính di động (điện thoại di động), thiết kế chip SOC (bao gồm cả phát triển bộ xử lý) chủ yếu được thúc đẩy bởi các ứng dụng đơn lẻ và các sản phẩm chủ chốt.Hiện tại, với 5G, AIoT, điện toán biên và các kịch bản ứng dụng khác đang nở rộ và không có tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật rõ ràng trong ngành, các kịch bản ứng dụng đa dạng hơn, nhu cầu phân mảnh hơn, nhu cầu sản phẩm đơn lẻ là vừa phải và sự lặp lại đổi mới trở nên nhanh hơn.Cũng cần có phản ứng thị trường nhanh hơn.Do đó, việc tùy biến thiết kế SoC chip đã trở thành một xu hướng.Với tư cách là toàn bộ bộ não điều khiển của SoC, bộ xử lý, ngoài các chỉ số phần cứng PPA truyền thống, chuỗi công cụ phần mềm cơ bản hoàn chỉnh và hệ sinh thái, điều quan trọng hơn là tính linh hoạt và khả năng mở rộng của bộ xử lý để đáp ứng sự khác biệt và đa dạng hóa.Thiết kế và thiết lập các hàng rào kỹ thuật.

ARM không có lợi thế sinh thái tuyệt đối trong các lĩnh vực mới nổi này.Do đó, RISC-V, vốn mở và có các ưu điểm kỹ thuật như đơn giản, tiêu thụ điện năng thấp, mô-đun và khả năng mở rộng, sẽ có triển vọng trong lĩnh vực AIoT và điện toán biên và các kịch bản yêu cầu tùy chỉnh.

Ngoài tính linh hoạt về kỹ thuật, RISC-V cũng có thể mang lại lợi thế chi phí đáng kể cho AIoT, điện toán biên và các lĩnh vực khác.Semico Research, một tổ chức phân tích thị trường quốc tế, đã chỉ ra trong báo cáo có tiêu đề "Phân tích thị trường RISC-V: Các thị trường mới nổi" rằng ước tính đến năm 2025, thị trường sẽ tiêu thụ tổng cộng 62,4 tỷ lõi CPU RISC-V và Trung Quốc sẽ có không gian Thị trường lớn nhất thế giới.

Chi tiết liên lạc