| 完全采用基于平臺的設(shè)計方法
? 70年代的LSI設(shè)計還不很科學(xué),設(shè)計工作幾乎全由手工進行,其復(fù)雜性只能達(dá)到熟練設(shè)計者一人可對付的程度。其后開始推行設(shè)計的自動化。首先是發(fā)展版圖技術(shù)和模擬技術(shù),圖形編程程序在版圖設(shè)計與功能塊的分層設(shè)計兩個方面得以應(yīng)用。接著,裝有分層設(shè)計及邏輯模擬功能的廉價工作站問世。再后出現(xiàn)了裝有設(shè)計驗證與版圖合成功能的強大設(shè)計工具。到了1987年,出現(xiàn)了能處理RTL（Resisfer Transfer Level,寄存器傳送級）語言、生成高效門級網(wǎng)表的設(shè)計工具,大大提高了設(shè)計抽象化的水平。
? 但是,迄今的系統(tǒng)LSI設(shè)計都把重點放在實際的芯片設(shè)計上,輕視了從內(nèi)裝到應(yīng)用的軟件。隨著邏輯綜合以后的下游設(shè)計更加完善,在邏輯綜合的上游采用怎樣的設(shè)計方法將成為焦點。采用可大量減少設(shè)計時間和設(shè)計成本的“基于平臺”的設(shè)計方法,既能把想實現(xiàn)的功能高效LSI化,也便于LSI設(shè)計資源和軟件的再利用。圖3示出LSI設(shè)計方法的變化。
圖3 LSI設(shè)計方法的變化
基于平臺的設(shè)計
? 基于平臺的設(shè)計在于尋求能適應(yīng)多種應(yīng)用的通用體系結(jié)構(gòu),即找出一種允許某種程度的參量更改而本質(zhì)上不變的設(shè)計結(jié)構(gòu),此即LSI的“基本微結(jié)構(gòu)”。它由可編程的內(nèi)核、輸入/輸出電路、存儲器構(gòu)成。這里把能真正再利用軟件的一組微結(jié)構(gòu)叫做“硬件平臺”。
? 采用這種設(shè)計方法時應(yīng)該注意的是設(shè)計中的各個層次是完全分離的。比如說,對應(yīng)用擬實現(xiàn)的功能與實現(xiàn)該功能的體系結(jié)構(gòu)分開,即是說,改變功能可以不改變體系結(jié)構(gòu),反過來改變體系結(jié)構(gòu)也不致出現(xiàn)不能實現(xiàn)功能的問題。此外,微結(jié)構(gòu)的功能塊之間的通信也必須注意。微結(jié)構(gòu)的種類不同,塊間的通信或簡單或復(fù)雜,為了再利用設(shè)計資源,應(yīng)使塊間通信能通用化,其典型例子便是可再利用的總線連接。
? 由于硬件平臺各構(gòu)成元素的不同會影響到應(yīng)用軟件,為了實現(xiàn)軟件的再利用,在抽象化的硬件平臺上加一軟件層,該軟件層稱為“軟件平臺”。它包含對實時OS的可編程內(nèi)核和存儲器,也包含對設(shè)備驅(qū)動程序的輸入/輸出電路。由于導(dǎo)入了軟件平臺,就可實現(xiàn)應(yīng)用軟件的再利用,硬件平臺與軟件平臺的結(jié)合稱為“系統(tǒng)平臺”。
平臺的選定
? 硬件平臺的選定首先從決定符合所需應(yīng)用的硬件平臺的約束條件開始。大多數(shù)情況下,決定硬件平臺的約束條件是性能及芯片面積。如增加約束條件,則制造與設(shè)計成本增大,硬件平臺的選擇性減少。因此應(yīng)最終選擇相互滿足這些約束條件的硬件平臺。
其次,選擇符合約束條件的硬件平臺。對于選定的硬件平臺,有可能對目標(biāo)產(chǎn)品來說出現(xiàn)設(shè)計冗余的情況,即如果只考慮產(chǎn)品功能的實現(xiàn),有時該硬件平臺會包含不必要的微結(jié)構(gòu)。冗余的微結(jié)構(gòu)可能適合新的軟件,擴大應(yīng)用的適應(yīng)能力,因此,某種程度的冗余設(shè)計是可接受的,它可以作為減少設(shè)計成本,快速投入市場的手段。
? 一旦選定了硬件平臺,設(shè)計工作便是在此設(shè)定的約束條件中探索留下的設(shè)計空間了。通過選擇滿足平臺規(guī)定的約束條件的構(gòu)成元素,將會提高設(shè)計的完成情況和質(zhì)量。
? 最后,進行實際組裝微結(jié)構(gòu)構(gòu)成元素的工作。它包括開發(fā)適當(dāng)?shù)挠布?開發(fā)可編程內(nèi)核進行相應(yīng)計算的軟件。硬件可采用已有的對象庫或?qū)μ囟ㄓ猛镜膶Ｓ眠壿嬰娐凡捎枚ㄖ苹O(shè)計。軟件也分再利用已有程序庫與新開發(fā)的情況。在新開發(fā)情況下,可通過分解軟件,再利用其構(gòu)成元素的方法來生成。
非自頂向下亦非自底向上
? 利用硬件平臺進行設(shè)計可以綜合地優(yōu)化各種設(shè)計參量,包括生產(chǎn)成本和設(shè)計成本等參量。這種設(shè)計方法既非自頂向下亦非自底向上。前者以應(yīng)用的規(guī)格指標(biāo)為出發(fā)點,逐漸推進設(shè)計,求得微結(jié)構(gòu)成本最低的解決方案。后者則首先決定微結(jié)構(gòu)。而基于平臺的設(shè)計是從決定處于頂層的應(yīng)用與底層的微結(jié)構(gòu)之間的平臺開始設(shè)計,在這個意義上它是一種新的設(shè)計方法。
? 對于可編程的解決方案的開發(fā),必須了解應(yīng)用領(lǐng)域,必須開發(fā)該應(yīng)用專用的體系結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu),還需要供特定體系結(jié)構(gòu)編程的軟件生成工具。系統(tǒng)設(shè)計者從成本、效率、功耗、靈活性等觀點對應(yīng)用進行優(yōu)化,選擇硬件平臺。通過硬件平臺,便可自動實現(xiàn)把應(yīng)用套入實際的體系結(jié)構(gòu)的工作,比如可以用軟件合成、實時OS合成、器件驅(qū)動合成等工具來實現(xiàn)。
CMOS突破三大障礙
? LSI的競爭正從追求高集成度、高速度的方向轉(zhuǎn)向今后的短期開發(fā)、低成本、低功耗的方向。圖4示出LSI的這種轉(zhuǎn)變。因此,在力求適應(yīng)設(shè)備小型化的同時,需要解決不斷增大的功耗、布線延遲和設(shè)計復(fù)雜性問題。
圖4 LSI向短期開發(fā)、低成本、低功耗方向推進
? 首先通過外插預(yù)測LSI在集成度、工作頻率及功耗上的推進。微處理器的集成度以3年3倍的速度增大,15年將激增240倍。微處理器的工作頻率以3年2番的速度提高,15年約有32倍的高速化。目前如為1GHz,2015年將是32GHz。功耗現(xiàn)以3年1.4倍增加,15年后將為5.4倍,如現(xiàn)在為100W,2015年將是540W。功率的增加在于按換算得出的功率密度的增大。例如,比之2000年工藝為0.15μm的芯片,2015年工藝為0.035μm芯片的功率密度將為2.8倍。
? 其次,從整機的發(fā)展來研究LSI。計算機每10年出現(xiàn)一代新機型,系統(tǒng)成本10年降低10倍,應(yīng)用領(lǐng)域更加擴大。計算機正從臺式走向便攜式、嵌入式、植入式等小型化,與此同時,通信也從辦公室LAN、家庭LAN以及個人網(wǎng)絡(luò)PAN,直至體內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。計算機的小型化得益于LSI技術(shù)的進展。由于能夠把多種電路集成到一起,這提高了系統(tǒng)的性價比。但近15年中,CMOS功耗增大了,如果沒有新的低功率器件出現(xiàn),就不可能缺少使CMOS低壓化來降低功耗的技術(shù)。
? 再次,從產(chǎn)業(yè)的角度看LSI的生產(chǎn)。一般說來,LSI用戶追求符合自己需要的特定產(chǎn)品,而LSI廠商則想長期大量生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的產(chǎn)品,以提高工廠的經(jīng)營效益。飛速的技術(shù)革新及激烈的市場競爭對雙方的平衡造成沖擊,從而形成大批量生產(chǎn)時代與多品種生產(chǎn)時代的交替。這種交替周期大致為10年。1997～2007年的10年,已從月開發(fā)100個品種的ASIC時代逐漸進入面向重要用戶開發(fā)10多種芯片的ASSP時代。這時硬件性能已非常之高,而許多功能可由軟件實現(xiàn)。因此,提供軟件產(chǎn)品及應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境成了LSI廠商的重要任務(wù)。到2007～2017年,將達(dá)到提出系統(tǒng)規(guī)格指標(biāo)就能并行而協(xié)調(diào)地自頂向下進行專用硬件和軟件的設(shè)計。對LSI廠商來說,硬件及軟件的智能特性將成為其知識產(chǎn)權(quán),尤其是軟件的算法更是形成差異的技術(shù)。此外,軟件錯誤的修正及版本升級都需要改動硬件,故芯片上還需有現(xiàn)場可編程器件。
? 在上述背景下依比例縮放定則可得出LSI的三個課題是：低功率化、布線技術(shù)和設(shè)計的復(fù)雜性。如能解決這些課題,便能實現(xiàn)短期開發(fā)、低成本和低功耗。
低功率化障礙 |
66821730(技術(shù)支持)
