微處理器大師的IC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

即便放眼整個IC行業(yè)，像Chris Rowen博士這般愛談技術(shù)，同時又可以講得如此深入淺出的，著實(shí)少見。他幾乎經(jīng)歷過微處理器的所有起起伏伏，前世今生。他是RISC架構(gòu)的奠基人之一，分別參與了Intel和MIPS公司的大躍進(jìn)時代，如今，又帶著一種全新SoC架構(gòu)的理念，在或多或少地改變著我們的數(shù)字時代。

　　1、我看過您寫的“復(fù)雜SoC設(shè)計(jì)”，非常喜歡的第8章(Chris Rowen：“SOC設(shè)計(jì)的未來”哈哈)。恩您還記得。因?yàn)槟愕乃蓄A(yù)言都應(yīng)驗(yàn)了，這非常有趣。所以我的問題是，您如何看待再6年之后的SoC設(shè)計(jì)，或者說和SoC設(shè)計(jì)有關(guān)的那些技術(shù)趨勢?

　　Chris Rowen ：哇，這個問題還不賴!我認(rèn)為這個市場的大方向還是相當(dāng)清楚的。看看市場層面的基本趨勢，再看看技術(shù)層面的基本趨勢，你就可以看到他們在哪里重合。就技術(shù)而言，你會發(fā)現(xiàn)摩爾定律(Moore’s Law)作為經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力的事實(shí)。但是摩爾定律真正有趣的部分在于，第一，是“集成度(Density)持續(xù)提高”。每隔2年半或者3年，硅密度就要提高一倍，這意味著近一倍成本的降低，讓射頻產(chǎn)品中的數(shù)字模塊集成度越來越高。這也意味著，各種系統(tǒng)都在規(guī)模(Scale)上變得越來越小。所以無論是電腦亦或消費(fèi)電子設(shè)備，每一個系統(tǒng)的目的都是集成于同一塊芯片。這就變得有趣起來。因?yàn)樵谶^去，你可以生產(chǎn)通用(Generic)存儲器，通用處理器，通用射頻，諸如此類，然后一股腦兒放在一塊兒，建一個非常牛逼的專用(Specific)系統(tǒng)。但是在今天，事情都顛過來了。你更希望把一坨不同的功能集合到一塊芯片上。當(dāng)然在這個意義上，你還是得搞出一塊專用芯片。但是挑戰(zhàn)變大了，因?yàn)樾酒旧硇枰訉Ｗ⒂谀骋粋€特殊應(yīng)用，而應(yīng)用處理器、內(nèi)部總線等等其他玩意兒，也要變得更小更強(qiáng)更快!

　　另一件吊詭的事就是，摩爾定律并沒有在晶體管層面帶來太多的功率改進(jìn)。在過去，當(dāng)東西變小了，功率自然就降低了，所以工程師也壓根不需要操心什么芯片架構(gòu)(Architecture)。而現(xiàn)在，如果工程師想要優(yōu)化功耗，首先就要優(yōu)化架構(gòu)。他得考慮我怎么著才能更有效地完成這個計(jì)算?譬如用更少的晶體管門或者運(yùn)算周期，甚至在這個任務(wù)不運(yùn)行的時候關(guān)閉掉相應(yīng)子系統(tǒng)。總之，這活兒變智能(Intelligent)了。

　　所以舉個例子啊，比如你想做個手機(jī)，就必須要注意區(qū)分不同的使用場景，譬如聽音樂、看YouTube視頻、發(fā)短信、上網(wǎng)，或者煲電話，這些都是完全不同的情景。你得關(guān)掉所有沒用的子系統(tǒng)。更細(xì)心，更積極。因此對于芯片設(shè)計(jì)師(Chip Architect)或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說，這是最好的時代。因?yàn)橛羞@么多的事兒可做。但對于一個晶體管工人(Transistor Guy)而言，這可真是最壞的時代啊!一切都已經(jīng)上升，已經(jīng)上升到系統(tǒng)或者應(yīng)用的級別。這就是技術(shù)領(lǐng)域正在發(fā)生的大事件。

　　2、未來幾年市場方面的變化呢?

　　Chris Rowen ：說到市場。我認(rèn)為最大的趨勢是一切都已經(jīng)移動起來，因?yàn)槿藗兊纳罘绞揭呀?jīng)徹底改變了。當(dāng)你可以隨身攜帶那么多的設(shè)備，就會希望能夠持續(xù)地連接到互聯(lián)網(wǎng) 上。這種影響不僅表現(xiàn)在設(shè)備上，還表現(xiàn)在無線基礎(chǔ)設(shè)施，以及云計(jì)算上。而且經(jīng)濟(jì)層面的機(jī)會，將會隨之變得非常，非常深遠(yuǎn)。因?yàn)槟銜吹?，譬如在這種設(shè)備(Chris拿起手里的iPhone開始演示)的層面，無線連接的帶寬起碼還要提高30倍。為了獲得足夠豐富的娛樂體驗(yàn)，我們或許需要幾十甚至幾百兆比特的帶寬。在世界每一個地區(qū)，高端用戶越來越多。中國就是一個鮮活的例子。不光如此。在印度、南美、非洲、加勒比海地區(qū)，人人都希望持續(xù)不斷地連接到互聯(lián)網(wǎng)。

　　所以，你必須很好地設(shè)定人們?nèi)找嬖鲩L的期望值。現(xiàn)在有10倍的寬帶人口增長每個人都有30倍的寬帶需求，因此就有了300倍的寬帶要求。而系統(tǒng)的每 個層面都需要滿足這種需求。對于無線基礎(chǔ)設(shè)施制造商來說，他們的機(jī)會是巨大的。譬如華為。但是制造商是沒可能贏得300倍收入的。有可能獲得更多的收入， 但不是三百倍以上。因此，他們必須在得到大幅增加帶寬的同時，大幅降低資金成本(Capital Cost)和經(jīng)營成本(Operate Cost)。

　　3、那么接下來在SoC設(shè)計(jì)上會有什么事情發(fā)生?

　　Chris Rowen ：你可以看下無線基站作為例子。傳統(tǒng)意義而言，它們是昂貴的。你可以找些通用芯片、通用DSP、通用FPGA。可是今天，為了滿足對帶寬的要求，您需要更 多的高度定制的SoC，芯片平臺和軟件的需求也上升很快。所以這將使集成度更高，每塊芯片上集成更多的DSP，而每塊DSP上嵌入更多的軟件程序，甚至是 軟件內(nèi)容的爆炸性發(fā)展。

　　有趣的是，每部分網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(Network Infrastructure)的功耗都是巨大的。那么即便為綠色節(jié)能考慮，減少為更加緊密集成的系統(tǒng)都是異常重要的。基站將明顯變小，這意味著整個基站 都可變成塔頂?shù)囊粋€小盒子，而不是……裝在塔頂可是簡單很多。

　　當(dāng)然在系統(tǒng)層面，你一旦降低成本以后降低功耗也就水到渠成。所以這兩者之間是一個非常良性的關(guān)系。關(guān)鍵是硅晶圓的集成。這也是Tensilica會 如此迅速成長成為世界領(lǐng)先的DSP內(nèi)核供應(yīng)商之一的原因。

　　甚至可以看到這種變化體現(xiàn)到了云計(jì)算上。因?yàn)楝F(xiàn)在你需要300倍的帶寬，也就相應(yīng)地對視頻服務(wù)、視頻壓縮、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫搜索、社會網(wǎng)絡(luò)，如此等等， 都提出了更高的需求。而所有這些事情，真的都是很復(fù)雜的應(yīng)用程序呢。

　　不過有趣的是，他們都是些并行的應(yīng)用程序。這是個好消息。因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)業(yè)已經(jīng)發(fā)生的一件事情便是，單個微處理器的速度已經(jīng)很難再提高了。Intel在1990年，戲劇性地發(fā)現(xiàn)了單處理器性能呈指數(shù)增長的改善。但是他們也旋即發(fā)現(xiàn)當(dāng)處理器頻率達(dá)到約3.5到4GHz的時候，功率密度(Power Density)遇到了瓶頸。于是，他們開始嘗試多核技術(shù)。

　　還好人民群眾想做的事，基本都是天然就可以并行處理的。所以，你在做互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫檢索(Internet Database Search)的時候，確實(shí)可以設(shè)置多內(nèi)核、多芯片，甚至多系統(tǒng)。因?yàn)槟愕牟樵冋埱笸ǔ⒈话l(fā)往多個地點(diǎn)。所以在互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算的領(lǐng)域，運(yùn)用多核的機(jī)會無比 廣闊。

　　而且確實(shí)存在是一個問題，就是你如何在有效的MIPS指令內(nèi)獲得足夠低的功耗。或者說，如何在設(shè)計(jì)電池壽命最長的移動設(shè)備，和最可擴(kuò)展的服務(wù)器