從IC到嵌入式系統(tǒng):近來的一些新變化探析

摘要:當(dāng)前Ic的晶體管密度向1000億門發(fā)展，但I(xiàn)c使用者遇到的最大問題是軟件的挑戰(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)、安全等熱門趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:1000億門;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，該公司董事長兼CEO Wagy Rhines從IC設(shè)計(jì)業(yè)的狀況開始分析，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

預(yù)計(jì)Ic業(yè)將有10倍設(shè)計(jì)增長需求，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源。半導(dǎo)體業(yè)與其他工業(yè)不同，從數(shù)量來看，半導(dǎo)體工業(yè)是持續(xù)增長的一個(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，半導(dǎo)體企業(yè)改組(重組、分化)現(xiàn)象也頻繁，可見半導(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)的市占率沒有變得更高，而是越來越低，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，需要專門的技巧，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)師門一直采用革命性的設(shè)計(jì)方法，從1988年開始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，其中大多數(shù)是用于軟件。今天超過一半的芯片設(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)，開發(fā)平臺(tái)像AutoSAR、ExecutableUML(xtUML)，Matlab可用于軟件開發(fā);3，開放標(biāo)準(zhǔn)，像Linux和Android等，這些開放源碼為下一代產(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)門檻降低。讓更多的人做有創(chuàng)意的界面。例如蘋果公司的產(chǎn)品并沒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專程來京，他從業(yè)界需求的角度，闡述了處理器+FPGA將帶來的巨大能力(如圖5)。

首先，對(duì)更高軟件性能的需求持續(xù)增長。而在五年前業(yè)界就開始朝系統(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。但是沒有任何的方式能夠提前知道哪些軟件功能需要通過硬加速的方式實(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，來減少延遲。

第二個(gè)原因是就現(xiàn)狀來講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自己的用戶中有20%的這種設(shè)計(jì)中已經(jīng)包含了嵌入式軟核。通過內(nèi)嵌處理器或核的方式，可以通過更高級(jí)的集成來獲得成本上的消減，比如削減電路板上元器件的數(shù)目，來降低整個(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。

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。但這些事件是無方向的，無法預(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、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等公司都已大力開展。瑞薩電子今年10月在美國宣布將在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區(qū)MCU產(chǎn)品中心總監(jiān)邱榮豐稱，數(shù)模混合的難點(diǎn)在于數(shù)模混合的制程不太容易提高，因?yàn)槟M的制程不太高，而瑞薩的32位MCU主流制程已達(dá)90hm。在中國市場(chǎng)。由于一些模擬Ic已很便宜，“MCU+模擬Ic”目前在中國還是很有市場(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)問題的關(guān)注度不斷提高，使這些應(yīng)用能夠配置在無法或不希望通過電線供電的地方。為了能夠利用現(xiàn)有或處于開發(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。這只能通過使用創(chuàng)新性的模擬和混合信號(hào)技術(shù)來得以實(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，安全系列MCu在中國越來越大，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，但中國市場(chǎng)的發(fā)展過程還沒有到。

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)正在從按鍵開關(guān)轉(zhuǎn)向觸摸式，增強(qiáng)單片機(jī)的連通性等。