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定制处理器:实现廉价芯片的新途径
2017-10-27 13:53
原创  Ieee Spectrum

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伊利诺伊大学电气和计算机工程专业副教授拉凯什•库马尔(Rakesh Kumar)表示:“当前的处理器设计已超出绝大多数应用程序的需求。”一个人尽皆知的必然事实是:为了具备编程能力和灵活性,处理器上的组件将持续增加,但很少有应用程序会使用它们。对于驱动全新嵌入式计算机平台(例如可穿戴设备和物联网传感器)的超低功率微控制器而言,更是如此。该类设备通常只运行一个简单应用程序,没有其他运行内容(甚至没有操作系统),这就意味着该类设备所用芯片的绝大部分线路将不会处理任何数据信息。

库马尔、明尼苏达大学助理教授约翰•萨托瑞(John Sartori,曾是库马尔的学生)以及他们的学生们打算对这部分被浪费的资源加以利用。他们的解决方案从通用微控制器的设计入手。他们想出了一个方法,能够快速确定哪些逻辑门从未参与到需要运行的应用程序中,然后,他们将多余的逻辑门一一去除。去除之后的成果就是库马尔所称的“定制处理器”。相对于原微控制器来说,定制处理器体积更小、复杂度更低,仅执行应用程序所需的功能。6月份,库马尔和萨托瑞在于多伦多举行的第44届国际计算机体系结构大会中,对定制处理器项目进行了详细介绍。

库马尔表示:“我们的方法是找出应用程序一定不会使用的所有硬件,而不管输入内容是什么。”最后剩下的就是“数据可以使用的所有可能路径的并集或超集。然后,我们将未使用的硬件予以去除。”

他们从openMSP430微控制器开始着手,打造旨在运行傅里叶变换、自相关联和内插滤波等应用的定制设计。相对于原设计,新设计的逻辑门数量减少了一半以上。事实上,他们研究的15款通用微控制器应用程序,所需的逻辑门数量比例均未超过60%。平均来看,改造后的芯片体积减少了62%,功耗降低了50%。通过缩短信号的传输距离,有效节省时间,他们使平均功耗进一步降低,降幅达到65%。

萨托瑞表示:“实际情况确实出人意料。绝大部分的人都会认为在这样简单的小型处理器中,所有部件应该始终处于工作状态;但对于给定的某个应用程序而言,即便完全移除多个逻辑门,应用程序仍然可以完美运行。”

如果你想运行两个或多个应用程序,该方法仍然适用;该方法甚至能够同时处理一个操作系统和一个应用程序。他们对实时操作系统FreeRTOS进行了测试,在它单独运行时,测试发现共有57%的逻辑门未接收任何数据。如果将FreeRTOS和上述15个应用程序中的任何一个一起运行,那么就剩下不足27%的逻辑门未使用,但库马尔指出,这些应用程序通常是“裸机”运行,无需任何操作系统。

那么为什么不考虑使用特定用途集成电路(ASIC)呢?答案是:成本。库马尔表示,嵌入式微控制器主要用于低体量、低利润领域,如果进行ASIC所需的全面设计和测试工作,将产生高昂的成本。从标准的微控制器设计入手,整个流程将更简洁,成本将更低。

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库马尔说,这就像一只“黑匣子,输入应用程序,然后就可获得处理器设计”。

但来自市场研究公司HIS的首席嵌入式处理器分析师汤姆•哈肯伯格(Tom Hackenberg)认为,事实可能不会这么简单。在制造全新特定用途芯片的过程中,仍将产生测试、验证和其他成本。如果技术无法充分降低设计流程成本,则廉价微控制器(平均价格约为1美元,但最低可至25美分)仍为最优解决方案。

哈肯伯格表示,如果上述概念“可以实现他们声称能够实现的目的,那么设计一个适用于特定应用程序的处理器可能是一个更简单的过程”。

位于英国剑桥的ARM公司的研究工程师们希望事实能够如此简单。他们正在着力实施一项名为“塑料ARM”的项目,旨在使用印刷电子技术制造成本为1美分的一次性塑料微控制器。项目主管詹姆斯•迈尔斯(James Myers)表示,他们初次制成的成品面积达7.5平方厘米。经过一整年的辛苦设计工作,才实现了1平方厘米以下的设计目标,并按照应用程序的要求对微控制器进行了个性化调整。今年夏天,在萨托瑞的一名学生的帮助下,该团队计划使用定制处理器技术,看看能否在节省工作付出的情况下,获得同样或更优的成果。

他表示:“借助印刷电子技术,设计芯片的门槛应该会比硅片低,也会存在更多针对特定应用设计的机会,但如果设计成本仍维持在原水平,则该类设计工作很难实现突破。我想要的是降低这类工作的设计和制造成本。如果可以自动生成一个定制版处理器……那么将大有裨益。”

作者:Samuel K. Moore

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