從IC到嵌入式系統(tǒng):近來(lái)的一些新變化探析

摘要:當(dāng)前Ic的晶體管密度向1000億門(mén)發(fā)展，但I(xiàn)c使用者遇到的最大問(wèn)題是軟件的挑戰(zhàn)，因此嵌入式軟件自動(dòng)化(ESA)應(yīng)運(yùn)而生。嵌入式處理器也遇到了性能進(jìn)一步提升的瓶頸，F(xiàn)PGA與處理器的結(jié)合或?qū)⑹且环N突破方法。在工業(yè)與家庭用MCU領(lǐng)域，也探討了低功耗、軟件設(shè)計(jì)、安全等熱門(mén)趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:1000億門(mén);ESA;FPGA;嵌入式處理器;MCU

Mentor:不僅EDA，更提出嵌入式軟件自動(dòng)化(ESA)

Mentor Graphics公司最近有了新定位，不再是EDA廠商的代表了，而是EDA和嵌入式軟件廠商。

在9月2日北京舉行的Mentor年度大會(huì)——EDA Tech Forum2010上，該公司董事長(zhǎng)兼CEO Wagy Rhines從IC設(shè)計(jì)業(yè)的狀況開(kāi)始分析，帶我們一步步發(fā)現(xiàn)ESA的價(jià)值。

IC設(shè)計(jì)業(yè)的未來(lái)

預(yù)計(jì)Ic業(yè)將有10倍設(shè)計(jì)增長(zhǎng)需求，8年后的2018年，一塊芯片中將有400億晶體管;12年后的2022年，一塊芯片中將有1000億個(gè)晶體管(圖1)。這1000億不涉及存儲(chǔ)器(存儲(chǔ)器現(xiàn)已達(dá)到1000億晶體管規(guī)模)，主要指邏輯+存儲(chǔ)等。

摩爾定律能否帶我們達(dá)到1000億晶體管目標(biāo)?業(yè)界普遍認(rèn)為不太可能，僅減小晶體管制造的特征尺寸已經(jīng)不夠了。我們必須要采用其他辦法，例如多層(2D)封裝、3D封裝等。如圖2所示摩爾定律的時(shí)代演變，是在同樣功能時(shí)將成本遞減的主要來(lái)源。半導(dǎo)體業(yè)與其他工業(yè)不同，從數(shù)量來(lái)看，半導(dǎo)體工業(yè)是持續(xù)增長(zhǎng)的一個(gè)行業(yè)，每年晶體管數(shù)量增49%，芯片數(shù)量增13%，但每個(gè)晶體管成本年降低35%左右。預(yù)計(jì)即使在摩爾定律過(guò)時(shí)多日之后，即超越摩爾時(shí)代，每年的晶體管數(shù)量仍將持續(xù)遞增，芯片每項(xiàng)功能的成本仍將持續(xù)降低。

近年來(lái)，半導(dǎo)體企業(yè)改組(重組、分化)現(xiàn)象也頻繁，可見(jiàn)半導(dǎo)體業(yè)的演變十分劇烈，但實(shí)際上大企業(yè)在整個(gè)半導(dǎo)體業(yè)的市占率沒(méi)有變得更高，而是越來(lái)越低，即大公司變小了(表1)。如果觀察5年前、10年前、20年前、30年來(lái)第一名和前十大、二十大在整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的比重，會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣的趨勢(shì)。而且多年前的前十大有的已不是現(xiàn)在的前10名，一些企業(yè)甚至已消失了。

對(duì)中小企業(yè)而言，由于上億門(mén)設(shè)計(jì)不是每家設(shè)計(jì)公司可以負(fù)擔(dān)得起的。所以50%初創(chuàng)公司做數(shù)模混合或射頻及純粹的模擬Ic等，因?yàn)橥顿Y小，需要專(zhuān)門(mén)的技巧，只要找到模擬秘訣就可以做。而大型企業(yè)往往做復(fù)雜的大規(guī)模設(shè)計(jì)。

ESA(嵌入式軟件自動(dòng)化)將向EDA工具一樣普及

那我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)400億晶體管的芯片?好消息是盡管很難，但設(shè)計(jì)師門(mén)一直采用革命性的設(shè)計(jì)方法，從1988年開(kāi)始EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)設(shè)計(jì)工具(圖3)，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了巨大的技術(shù)變革。當(dāng)前。400億晶體管Ic所需要的EDA工具可能已經(jīng)存在了，但我們不能依靠目前的設(shè)計(jì)工具來(lái)設(shè)計(jì)1000億只晶體管。下一步，我們要靠四個(gè)方面的創(chuàng)新:系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、物理設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、嵌入式軟件。

按照目前的設(shè)計(jì)模式，SoC設(shè)計(jì)成本預(yù)計(jì)在三年內(nèi)超過(guò)1億美元。但嵌入式軟件也很重要(圖4)，因?yàn)轭A(yù)計(jì)設(shè)計(jì)成本仍在持續(xù)增長(zhǎng)，其中大多數(shù)是用于軟件。今天超過(guò)一半的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中一半是軟件工程師。因此Mentor Graphics預(yù)測(cè)就像1980、1990年代做EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)工具一樣，嵌入式軟件自動(dòng)化(ESA)將會(huì)得到大力發(fā)展。EsAm使嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證自動(dòng)化，就像EDA工具做Ic設(shè)計(jì)一樣。其實(shí)，復(fù)雜Ic今天需要系統(tǒng)軟件的支持，例如臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科技和展訊不僅提供芯片，連軟件也一并提供，說(shuō)明了ESA的重要性。

Mentor Graphics公司認(rèn)為ESA主要有三個(gè)方向:1，增加設(shè)計(jì)復(fù)用。例如Mentor現(xiàn)在已經(jīng)有工具來(lái)允許你用標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式軟件，更快速地做嵌入式設(shè)計(jì)應(yīng)用:2，生態(tài)環(huán)境和平臺(tái)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)像AutoSAR、ExecutableUML(xtUML)，Matlab可用于軟件開(kāi)發(fā);3，開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，像Linux和Android等，這些開(kāi)放源碼為下一代產(chǎn)品作貢獻(xiàn)。

值得一提的是，嵌入式標(biāo)準(zhǔn)化可以把設(shè)計(jì)門(mén)檻降低。讓更多的人做有創(chuàng)意的界面。例如蘋(píng)果公司的產(chǎn)品并沒(méi)有什么了不起的技術(shù)。而是把界面做得大家非常喜歡。其實(shí)在這些界面以下是一些可以標(biāo)準(zhǔn)化的東西。關(guān)鍵是你想到這個(gè)創(chuàng)意，把這個(gè)內(nèi)容豐富、易用、有吸引力，這才是做差異化、增加價(jià)值的所在。

處理器+FPGA或?qū)⑹切阅芴嵘牧疾?/p>

在處理器領(lǐng)域，也面臨著性能的挑戰(zhàn)

不久前，Altera在京宣布通過(guò)新系統(tǒng)級(jí)集成工具，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)配置功能啟動(dòng)嵌入式計(jì)劃。其FPGA設(shè)計(jì)流程將支持基于ARM、Intel、MIPS體系結(jié)構(gòu)多種嵌入式處理器產(chǎn)品。Altera產(chǎn)品和企業(yè)市場(chǎng)副總裁Vince Hu專(zhuān)程來(lái)京，他從業(yè)界需求的角度，闡述了處理器+FPGA將帶來(lái)的巨大能力(如圖5)。

首先，對(duì)更高軟件性能的需求持續(xù)增長(zhǎng)。而在五年前業(yè)界就開(kāi)始朝系統(tǒng)處理并行化方向發(fā)展，而不是僅僅提高單個(gè)CPU核的性能。這種并行化的方向主要包含兩類(lèi)技術(shù)，—種是多內(nèi)核，第二種就是硬件協(xié)處理加速器。

硬件協(xié)處理加速器是較理想的或者效果較好的。但是沒(méi)有任何的方式能夠提前知道哪些軟件功能需要通過(guò)硬加速的方式實(shí)現(xiàn)。所以FPGA是較理想的加速器的實(shí)現(xiàn)方案之一，因?yàn)樗乾F(xiàn)場(chǎng)可編程的。但是為了使FPGA協(xié)加速，達(dá)到理想的性能和效率，就需要FPGA和CPU之間緊密結(jié)合，來(lái)減少延遲。

第二個(gè)原因是就現(xiàn)狀來(lái)講FPGA事實(shí)上已經(jīng)集成為CPU硬件的協(xié)加速器。根據(jù)美國(guó)EETimes的調(diào)查，42%的嵌入式設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)把FPGA集成到他們嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中。另一方面，Altera自己的用戶(hù)中有20%的這種設(shè)計(jì)中已經(jīng)包含了嵌入式軟核。通過(guò)內(nèi)嵌處理器或核的方式，可以通過(guò)更高級(jí)的集成來(lái)獲得成本上的消減，比如削減電路板上元器件的數(shù)目，來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)成本。

第三個(gè)原因，目前業(yè)界很多芯片廠商已經(jīng)在采用處理器+FPGA這種方案，采用軟處理器核+FPGA，或者是硬(或硬核)CPU+FPGA這種模式進(jìn)行。在這種趨勢(shì)之下，有必要推出一個(gè)單一的工具把這種流程簡(jiǎn)化，這樣設(shè)計(jì)者可以很方便地在這種設(shè)計(jì)流程里面把CPU和FPGA結(jié)合起來(lái)。

Intel提出了“黑天鵝”理論，該理論是Nassin Nicholas Taleb在2007年的著作《The Black Swans》提到的理論:在歷史中有一些特殊的事件。這種事件雖然是單一的事件，但是他對(duì)社會(huì)，歷史的發(fā)展有著非常重大的影響和推動(dòng)作用。其貢獻(xiàn)超越了常規(guī)事件。這些事件稱(chēng)之為黑天鵝事件，包括重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、歷史事件、藝術(shù)成就。但這些事件是無(wú)方向的，無(wú)法預(yù)測(cè)的。典型事例有PC、互聯(lián)網(wǎng)、第一次世界大戰(zhàn)等。

把這個(gè)理論運(yùn)用在半導(dǎo)體技術(shù)方面:摩爾定律的發(fā)展由于功耗瓶頸的原因?qū)?huì)有一個(gè)“斷裂”。如圖6所示，這就需要一個(gè)黑天鵝事件:一種“異常的”創(chuàng)新技術(shù):以更低的功耗達(dá)到更高的性能來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空缺，使得摩爾定律能成功和持續(xù)地發(fā)展。Intel提到了處理器+FPGA方案將會(huì)是一個(gè)黑天鵝事件，來(lái)解決我們目前看到性能有所減慢的趨勢(shì)。

現(xiàn)在，Altera為系統(tǒng)人員提供了基于Quartus II開(kāi)發(fā)軟件的單一FPGA設(shè)計(jì)流程——包括新的Qsys系統(tǒng)級(jí)集成工具、公用FpGA知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)庫(kù)、以及新的ARM Cortex-A9 MPCore和MIPS科技公司MIPS32嵌入式處理器產(chǎn)品等。Intel最近也發(fā)布了即將推出的基于Atom的可配置新處理器。這一處理器在多芯片封裝中含有Intel Atom E600系列以及配對(duì)的AlteraFPGA，為工程師提供了采用專(zhuān)用I/O或者加速硬件。集成是不同工業(yè)/家居領(lǐng)域中的一個(gè)主旋律。MCU公司重點(diǎn)關(guān)注通過(guò)模擬外設(shè)集成的方式獲取價(jià)值，如:超低工作模式及睡眠模式功耗、高性能無(wú)線連接性、極為穩(wěn)固的電容接觸式傳感技術(shù)，以及高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADc)。在此領(lǐng)域，Microchip、Freescale、Silicon Labs和Cypress等公司都已大力開(kāi)展。瑞薩電子今年10月在美國(guó)宣布將在MCU中加入模擬功能㈨，TI等公司也在考慮在MCU中增加模擬功能。但是瑞薩電子大中國(guó)區(qū)MCU產(chǎn)品中心總監(jiān)邱榮豐稱(chēng)，數(shù)?；旌系碾y點(diǎn)在于數(shù)?；旌系闹瞥滩惶菀滋岣撸?yàn)槟M的制程不太高，而瑞薩的32位MCU主流制程已達(dá)90hm。在中國(guó)市場(chǎng)。由于一些模擬Ic已很便宜，“MCU+模擬Ic”目前在中國(guó)還是很有市場(chǎng)。

Silicon Labs和TI均認(rèn)為，下一步，MCu將需要繼續(xù)脫離其數(shù)字核心基礎(chǔ)，將其本身進(jìn)一步擴(kuò)展，解決系統(tǒng)層面上不斷出現(xiàn)的難以解決的模擬和混合信號(hào)問(wèn)題。例如，人們對(duì)如何將能量采集技術(shù)納入到工業(yè)設(shè)計(jì)問(wèn)題的關(guān)注度不斷提高，使這些應(yīng)用能夠配置在無(wú)法或不希望通過(guò)電線供電的地方。為了能夠利用現(xiàn)有或處于開(kāi)發(fā)之中的各種能量采集技術(shù)，MCU將需要確定如何才能最恰當(dāng)?shù)嘏c間歇性的、可能不可靠的電源接合。這只能通過(guò)使用創(chuàng)新性的模擬和混合信號(hào)技術(shù)來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)在擴(kuò)展性上大大超出了單片機(jī)處理器核。在未來(lái)的幾年中，MCu設(shè)計(jì)將繼續(xù)向著實(shí)現(xiàn)更高層面上的混合信號(hào)集成的方向上發(fā)展，實(shí)現(xiàn)能量采集和其它各種超低功耗應(yīng)用。

6 嵌入式安全也十分重要。飛思卡爾認(rèn)為，對(duì)單片機(jī)上的安全性要求越來(lái)越高，包括工廠自動(dòng)化、醫(yī)藥及電力計(jì)量市場(chǎng)在內(nèi)的各種工業(yè)應(yīng)用，拉動(dòng)出現(xiàn)了更多的功能安全和系統(tǒng)/IP安全性方面的標(biāo)準(zhǔn)。單片機(jī)(MCU)供應(yīng)商需要從系統(tǒng)的角度來(lái)理解這些需要，并提供能夠滿足這些需求的解決方案，這將成為一個(gè)重點(diǎn)的投資領(lǐng)域并變化向前發(fā)展。瑞薩電子的邱榮豐說(shuō)，安全系列MCu在中國(guó)越來(lái)越大，可用于智能電網(wǎng)通信:其次是銀行卡。另外，安全策略不僅實(shí)現(xiàn)一個(gè)產(chǎn)品。應(yīng)該是整個(gè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并不容易，但中國(guó)市場(chǎng)的發(fā)展過(guò)程還沒(méi)有到。

除此之外，MCu還有很多顯著的發(fā)展特征，例如外設(shè)和存儲(chǔ)器容量越來(lái)越大，閃存成為MCu一大特色，更低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)更多的集成，并具有更小的封裝選項(xiàng)，人機(jī)界面(HIM)正在從按鍵開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)向觸摸式，增強(qiáng)單片機(jī)的連通性等。