可配置内核开始赢得IC设计界的青睐

Broadcom和TTPCom公司最近从ARC国际公司取得其可配置处理器内核的授权,使他们成为业内开始战术转移的先锋,这表明芯片开发商和系统OEM现在愿意为了可配置处理能力而向多家供应商许可内核。

迄今为止,成立6年的ARC已经有近100家授权客户,仅今年他们就生产了大约1亿颗处理器。“业界领先厂商开始认识到可配置性的价值,”ARC国际公司总裁兼CEO Carl Schlachte表示。

已经许可ARM和MIPS内核的Broadcom公司表示,它添加了ARC的全系列可配置微处理器和工具,以扩展其CPU选择范围。“因为我们有许多要求,额外的内核有助于我们针对每种应用选用最好的技术。”该公司宽带通信部市场副总裁Rich Nelson表示。

传统上,芯片开发商会采用单指令集架构,然后在各种产品线和一代代产品上重复利用这笔投资,以不断积累经验。然而,芯片公司和系统OEM逐渐开始愿意许可ARC或Tensilica等IP供应商的可配置内核,即使他们已经与ARM或MIPS建立了长期的合作关系。

“可配置处理内核许可用户的增加表明可配置性的时代已经到来。”Schlachte表示。

TTPCom的许可协议标志着ARC的可配置处理器将首次用于手机基带处理器。TTPCom公司已经在其2.75G基带引擎CBEmacro中实现ARC的内核。

图:基于ARC内核的基带引擎
资料来源:TTPCom公司

为拓宽他们的OEM客户群,可配置处理器开发商不得不提供比传统架构更多的好处。ARC市场副总裁Derek Meyer声称,电池供电消费类产品的开发商对ARC内核的可配置性表示赞赏。

ARM或MIPS等固定内核的实现受到架构的限制。这些内核的许可用户可以调整缓存大小和组织等参数,但除非给予特别授权,否则他们不能对架构做任何改动。“而利用ARC内核,你可以添加或删除指令,取走寄存器或门电路,以及减少模块。”Meyer表示。

随着OEM对成本、性能和功耗的要求越来越严格,能够改变这些基本配置的能力对设计师特别有吸引力。“我看到业界对Tensilica和ARC可配置处理器内核的需求正在形成,特别是在消费类电子应用中。”Berkeley设计技术公司(BDTI)总经理Jeff Bier说。这个趋势的驱动力不是主处理器,而是新一代消费设备中处理视频压缩等繁重任务所用的引擎。

尽管ARC专注在控制平面,但Tensilica声称,可配置处理器也可以替代用于数据平面的硬连线引擎。Tensilica的最新产品可以将数据直接移至执行管线,以减少读取指令、解码和执行的功耗,这使得适当配置的Tensilica内核在电源效率上能够与硬连线方法一较高下。

ARM和MIPS公司也试图通过增加特性来满足这类多媒体处理的需求。“ARM添加了一个用于运动估算的指令集,但通用CPU不可能像可配置内核发展得那么快,并赶上可配置内核的伸缩性。” BDTI的Bier说。

ARM承认对灵活性的要求正在增长,但同时发出警告。“可配置性的确有它的市场空间,但不是在CPU方面。”该公司消费娱乐产品总监David Rose表示。

ARM提供了标准产品用于控制平面,而它的OptimoDE数据引擎技术则面向数据平面。基于从Adelante科技公司收购的工具,OptimoDE提供了可授权的可配置IP以及相关的工具环境。“对于那些想深入进去的用户,OptimoDE可以帮助你开发一个可配置的VLIW型架构,瞄准高性能的嵌入式信号处理应用。”ARM公司CTO Mike Muller表示。

BDTI的Bier认为,OptimoDE是为了与ARC和Tensilica竞争而开发的非常相关的技术。ARM在去年11月份同汤姆逊(Thomson)签订了OptimoDE许可协议,但该技术的进展至今仍比较缓慢。

“消费电子的发展趋势是可配置、定制化和差异化,但仍必须维持低成本,”Gartner半导体部消费电子研究首席分析师Paul O'Donovan表示,“与传统的定制ASIC相比,可配置内核提供了一个灵活的解决方案,并可以降低成本,加快面市时间。”

Gartner副总裁兼研究负责人Jim Tully并不认为在消费电子领域出现了向可配置内核转移的重大趋势。“但有更多数量的消费类应用正在采用可配置架构。”他说。

可配置处理器的吸引人之处在于它可以更好地匹配特定的应用要求。“这意味着可以使用硅面积更小的处理器内核,”Tully说,“这对大批量应用十分重要。”

可配置内核也带来了一些挑战,主要是在验证及新指令集的维护和支持方面。

许可用户在配置指令集时可能产生问题。要想让这些指令真正生效,许可用户必须把新的指令以手工方式编写到他的代码中。“这将迫使许可用户进入处理器设计领域,而这要求具有相当水平的算法和处理器知识。”BDTI的Bier说。

此外,如果许可用户针对某一特定应用配置了一个授权内核,那么每个重配置的内核都不相同,这使得原来为某个可配置内核开发的软件很难移植到另一个内核。“最糟的是可配置内核变得只有在设计定制芯片时才有用,”Bier说。这与SoC开发者竭力向更高抽象级发展的趋势相背。

在验证问题上,ARC和Tensilica向客户保证他们的处理器配置工具可自动生成对新指令的验证套件,而不会破坏现有的RTL。但客户仍然在创建新的CPU内核,这不可避免地造成新的验证问题。谨慎的设计人员仍将想验证整个内核,包括所有改变。这是一项十分艰巨、而且充满不确定性的工作。

可配置处理器的最大缺点在于工具,Gartner的Tully说。固定处理器可以提供编译器、调试器及其它专为固定架构而优化的工具。“如果允许客户改变处理器,那么工具也必须相应改变。供应商很难为不同的用户提供不同的工具,”他说。

可重定位(Retargetable)编译器技术已存在多年,因此简单支持一个新的指令集不是什么大问题。特殊、复杂的指令总是可以通过外部功能调用来应付。但业界多年来的重点放在了针对成熟的指令集架构优化编译器上,因此这一优势无法与新的指令集共享。

ARC和Tensilica很清楚这些缺陷,而且知道并非每家OEM都有经验丰富的CPU架构设计师。为此,两家公司都提供针对特定任务而预配置的CPU以及专用工具包。

例如,ARC最近推出了ARCsound音频子系统,而不是完全依赖其内核的可配置性来进行多媒体处理。该子系统包括音频软件、一个带定制音频扩展的ARC处理器,以及一套完整的软硬件开发工具。

此外,ARC正在针对各种视频压缩算法开发一个类似的子系统,有可能今年推向市场,但Schlachte拒绝透露具体的时间表。

作者: 吉田顺子