多核设计大行其道 差异化战略是关键

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       开发32位MCU内核对任何厂商而言都不是一件轻松的事情。为了加快上市时间、降低开发成本,同时实现产品差异化,使用业界标准、成熟的内核来开发SoC不失为一种明智的选择。目前,提供可授权内核的厂商包括ARM、MIPS、Tensilica等公司,他们对技术和市场的理解能够为32位MCU的发展方向提供一些有益的借鉴。

       差异化战略成为业界共识

       MIPS公司处理器业务部市场副总裁Jack Brown认为,在65nm SoC时代,差异化比CPU更为重要。举例而言,一般SoC大致由4部分组成,从功能上可以划分为:控制平面,在这里可以是MIPS或ARM 处理器,主要完成控制功能;数据平面,在这里可以使用DSP、硬件加速器,完成系统级芯片大量的算术运算;嵌入式存储器、库以及模拟外设,包括各种转换器、电源管理器件以及射频器件;连接各部分的总线或互联。

       他强调,MIPS通过调研发现随着工艺逐渐转向65nm或45nm,客户面临的模拟方面的困难越来越多。但模拟部分的差异化较小,开发难度却很大,所以客户需要购买IP。这样,如果客户需要开发差异化产品,他们应当把精力放到外设、数据处理、多媒体功能、加密等数据平面部分的开发上,从而实现硬件差异的最大化。而这也是为什么MIPS选择收购Chipidea公司的原因。

       Browne强调了MIPS在IP业务上的全面性。收购Chipidea后,MIPS目前可提供电源管理/音频IP、USB/HDMI连接IP,以及便携设备/无线IP等多种解决方案。此外,MIPS还通过提高特定类型应用性能(Application Specific Extensions),以及利用CorExtend增加专有指令,使硬件与芯核紧密耦合来满足特殊应用的需求。

       Tensilica公司总裁兼首席执行官Chris Rowen博士也认为差异化设计确实是客户成功的关键。他表示,目前IP产业的挑战来自于两方面:一个是IP开发复杂、投入巨大;另外一个,是IP的成功建立在客户IC开发成功、市场成功的基础之上,这注定了IP收益周期长、见效慢。

       那么,该如何帮助客户实现差异化呢?Rowen认为,客户应该具备先进的系统知识和经营,采用优秀的IP和先进工艺、提高性能、增加系统灵活性并降低功耗和成本。以北京新岸线公司(Nufrontsoft)为例,他们通过使用Tencilica Xtensa可配置处理器,不但同时实现了芯片控制和DSP算法处理,而且在四个月内就快速完成了低功耗手机电视SoC的开发。

      相比模拟IP的授权,ARM的数字IP授权模式更为灵活。该公司COO Tudor Brown称,目前全球已经有包括TI、高通、三星在内的200多家基于ARM内核处理器的公司,ARM的商业模式可以让更多人分享回报。而软件的可重用性、工具链的完整性、内核的安全性、工程师对处理器的了解和开发的熟练程度,则是系统厂商选择处理器的出发点。

F1: 图1 SoC IP 授权与内部开发的对比

F1: 图1 SoC IP 授权与内部开发的对比

      多核在嵌入式SoC领域大行其道

      随着消费电子、人机界面、互联网接入、数字多媒体等新兴应用的涌现,业界对多核技术的期望值也在节节攀升。而在嵌入式领域,不断提高处理器主频的做法已经不能满足不断增加的性能要求,而且势必造成功耗的增加。由于嵌入式系统的成本/功耗限制比PC更为严格,这就使得多核在嵌入式SoC领域有了充分的用武之地。

       MIPS在2007年推出了单线程、频率1.1GHz的74K内核系列,仍然是采用了延长流水线的方法。但显然时钟频率不可能无限制提高,因此34K内核系列就转而采用单核多线程策略。此次,MIPS推出首款嵌入式多线程和多处理器可授权 IP 核——MIPS32 1004K一致处理系统(Coherent Processing System),实现了MIPS向多核战略的转型。

       作为多核技术的拥趸,从ARM11开始,ARM公司就开始支持多核架构。而2007年推出的Cortex-A9将性能又提高了一个级别。通过对称多处理(SMP)的方式,Cortex-A9可以实现8000DMIPS的性能,而且采用代码向后兼容。当系统需要更高的性能时,就可以用多核处理器替换单核处理器,方便客户进行系统升级。

       Tensilica公司的可配置处理器也支持多核架构。例如思科CSR-1路由器的核心-硅包处理器(Silicon Packet Processor)内就集成了188颗Tensilica的可配置处理器内核。同时,可配置处理器也可以和其他处理器内核搭配使用,构成非对称多处理的架构。

F2: MIPS 32位处理器系列

F2: MIPS 32位处理器系列

       多内核与多线程

       多核方案一般包括对称多处理(Symmetrical Multi-Processing)、非对称多处理(Asymmetric Multi-Processing)和混合多处理(Bound Multi-Processing)三种。Chris Rowen认为多内核和多线程是不同的技术,侧重点不同。他表示多线程是有意义的,但是其意义只是针对一些特殊应用,比如网络。但同时也必须看到,多线程带来的处理器设计复杂性、功耗面积开销,以及软件调试的复杂性增加都是非常明显的。因此,他坚定的认为多内核是Tensilica的发展方向,而不是多线程。

       Jack Browne则强调多线程和多内核是互补的技术。因为多线程的优势在于可以优化每个CPU的流水线利用率,以实现最低的额外芯片成本,同时减少系统对更多CPU的需求。为了尽量避免处理单元与内存控制器在资源分配上的冲突,多线程或许会来得更为复杂一些,但多内核架构其实在某些程度上也会面临同样的问题(特别是共享高速缓存与内存控制器的多核心架构)。因此,将二者结合起来将更有助于解决同样的问题,即凭借具有成本优势的存储系统改善处理器的性能效率,同时提供基于SMP操作系统的相同的编程模型。

       关注32位MCU市场

       MCU是目前最大的半导体产品市场之一,而32位MCU的竞争已是非常激烈。瑞萨、NEC、Freescale、NXP、Microchip都是该玩家阵营的成员。Jack Browne表示,未来MIPS的市场策略就是关注数字家庭和无线市场,并战略性地进入32 位MCU市场。2007年,Microchip通过获得MIPS32 M4K内核的授权,顺利进入32位市场就是该战略的体现。

       Microchip执行副总裁Ganesh Moorthy曾坦言,32位市场应用非常复杂,因此最新32位MCU产品不仅需要和之前的PIC单片机兼容,还要拥有更高的性能、更大的存储空间和丰富的工具、操作系统及软件选择,当然还要便于移植和易于使用、购买。“事实上,对于大多数客户而言,选择什么样的内核并不是最重要的。”Moorthy表示,“他们所关注的是在内核周围可以集成多少外设?兼容性如何?”

       ARM中国区总裁谭军表示,尽管NXP、Freescale、Renesas、TI等公司都拥有自己的8/16/32位处理器,但他们还是在同时购买ARM内核。这是因为在开发工具和生态系统方面,ARM为用户提供的选择最为丰富。作为后起之秀,Tensilica目前正在积极和客户探索使用Tensilica Diamond处理器共同开发32位MCU,其106Micro/108Mini/212GP/232L/570T系列已经为进入该领域做好了准备。

       不难看出,当不同架构向同一系统发展时,商业模式和强大的生态系统才是PK的关键。从某种意义上来说,如何利用好生态资源比技术本身似乎更为重要。

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