微处理器大师的IC设计经验

　　即便放眼整个IC行业，像Chris Rowen博士这般爱谈技术，同时又可以讲得如此深入浅出的，着实少见。他几乎经历过微处理器的所有起起伏伏，前世今生。他是RISC架构的奠基人之一，分别参与了Intel和MIPS公司的大跃进时代，如今，又带着一种全新SoC架构的理念，在或多或少地改变着我们的数字时代。

　　1、我看过您写的“复杂SoC设计”，非常喜欢的第8章(Chris Rowen：“SOC设计的未来”哈哈)。恩您还记得。因为你的所有预言都应验了，这非常有趣。所以我的问题是，您如何看待再6年之后的SoC设计，或者说和SoC设计有关的那些技术趋势?

　　Chris Rowen ：哇，这个问题还不赖!我认为这个市场的大方向还是相当清楚的。看看市场层面的基本趋势，再看看技术层面的基本趋势，你就可以看到他们在哪里重合。就技术而言，你会发现摩尔定律(Moore’s Law)作为经济驱动力的事实。但是摩尔定律真正有趣的部分在于，第一，是“集成度(Density)持续提高”。每隔2年半或者3年，硅密度就要提高一倍，这意味着近一倍成本的降低，让射频产品中的数字模块集成度越来越高。这也意味着，各种系统都在规模(Scale)上变得越来越小。所以无论是电脑亦或消费电子设备，每一个系统的目的都是集成于同一块芯片。这就变得有趣起来。因为在过去，你可以生产通用(Generic)存储器，通用处理器，通用射频，诸如此类，然后一股脑儿放在一块儿，建一个非常牛逼的专用(Specific)系统。但是在今天，事情都颠过来了。你更希望把一坨不同的功能集合到一块芯片上。当然在这个意义上，你还是得搞出一块专用芯片。但是挑战变大了，因为芯片本身需要更加专注于某一个特殊应用，而应用处理器、内部总线等等其他玩意儿，也要变得更小更强更快!

　　另一件吊诡的事就是，摩尔定律并没有在晶体管层面带来太多的功率改进。在过去，当东西变小了，功率自然就降低了，所以工程师也压根不需要操心什么芯片架构(Architecture)。而现在，如果工程师想要优化功耗，首先就要优化架构。他得考虑我怎么着才能更有效地完成这个计算?譬如用更少的晶体管门或者运算周期，甚至在这个任务不运行的时候关闭掉相应子系统。总之，这活儿变智能(Intelligent)了。

　　所以举个例子啊，比如你想做个手机，就必须要注意区分不同的使用场景，譬如听音乐、看YouTube视频、发短信、上网，或者煲电话，这些都是完全不同的情景。你得关掉所有没用的子系统。更细心，更积极。因此对于芯片设计师(Chip Architect)或者系统设计师来说，这是最好的时代。因为有这么多的事儿可做。但对于一个晶体管工人(Transistor Guy)而言，这可真是最坏的时代啊!一切都已经上升，已经上升到系统或者应用的级别。这就是技术领域正在发生的大事件。

　　2、未来几年市场方面的变化呢?

　　Chris Rowen ：说到市场。我认为最大的趋势是一切都已经移动起来，因为人们的生活方式已经彻底改变了。当你可以随身携带那么多的设备，就会希望能够持续地连接到互联网 上。这种影响不仅表现在设备上，还表现在无线基础设施，以及云计算上。而且经济层面的机会，将会随之变得非常，非常深远。因为你会看到，譬如在这种设备(Chris拿起手里的iPhone开始演示)的层面，无线连接的带宽起码还要提高30倍。为了获得足够丰富的娱乐体验，我们或许需要几十甚至几百兆比特的带宽。在世界每一个地区，高端用户越来越多。中国就是一个鲜活的例子。不光如此。在印度、南美、非洲、加勒比海地区，人人都希望持续不断地连接到互联网。

　　所以，你必须很好地设定人们日益增长的期望值。现在有10倍的宽带人口增长每个人都有30倍的宽带需求，因此就有了300倍的宽带要求。而系统的每 个层面都需要满足这种需求。对于无线基础设施制造商来说，他们的机会是巨大的。譬如华为。但是制造商是没可能赢得300倍收入的。有可能获得更多的收入， 但不是三百倍以上。因此，他们必须在得到大幅增加带宽的同时，大幅降低资金成本(Capital Cost)和经营成本(Operate Cost)。

　　3、那么接下来在SoC设计上会有什么事情发生?

　　Chris Rowen ：你可以看下无线基站作为例子。传统意义而言，它们是昂贵的。你可以找些通用芯片、通用DSP、通用FPGA。可是今天，为了满足对带宽的要求，您需要更 多的高度定制的SoC，芯片平台和软件的需求也上升很快。所以这将使集成度更高，每块芯片上集成更多的DSP，而每块DSP上嵌入更多的软件程序，甚至是 软件内容的爆炸性发展。

　　有趣的是，每部分网络基础设施(Network Infrastructure)的功耗都是巨大的。那么即便为绿色节能考虑，减少为更加紧密集成的系统都是异常重要的。基站将明显变小，这意味着整个基站 都可变成塔顶的一个小盒子，而不是……装在塔顶可是简单很多。

　　当然在系统层面，你一旦降低成本以后降低功耗也就水到渠成。所以这两者之间是一个非常良性的关系。关键是硅晶圆的集成。这也是Tensilica会 如此迅速成长成为世界领先的DSP内核供应商之一的原因。

　　甚至可以看到这种变化体现到了云计算上。因为现在你需要300倍的带宽，也就相应地对视频服务、视频压缩、互联网数据库搜索、社会网络，如此等等， 都提出了更高的需求。而所有这些事情，真的都是很复杂的应用程序呢。

　　不过有趣的是，他们都是些并行的应用程序。这是个好消息。因为在计算机业已经发生的一件事情便是，单个微处理器的速度已经很难再提高了。Intel在1990年，戏剧性地发现了单处理器性能呈指数增长的改善。但是他们也旋即发现当处理器频率达到约3.5到4GHz的时候，功率密度(Power Density)遇到了瓶颈。于是，他们开始尝试多核技术。

　　还好人民群众想做的事，基本都是天然就可以并行处理的。所以，你在做互联网数据库检索(Internet Database Search)的时候，确实可以设置多内核、多芯片，甚至多系统。因为你的查询请求通常将被发往多个地点。所以在互联网云计算的领域，运用多核的机会无比 广阔。

　　而且确实存在是一个问题，就是你如何在有效的MIPS指令内获得足够低的功耗。或者说，如何在设计电池寿命最长的移动设备，和最可扩展的服务器之间 取得关联?因为所有都和功耗有关，而非峰值的性能。

　　4、那么Tensilica是如何来克服在功耗上的挑战的?和竞争对手比起来又有何区别?

　　Chris Rowen ：举个例子。Tensilica赞同为特定的任务去优化处理器。优化流水线(Pipeline)，优化接口，优化设计层面，然后把多个内核放在一起，以建 立一个多核系统。这种优化的能力将产生巨大的影响。我会在今天下午的会上谈到这个称作Turbo解码器的专用(Specialized)处理器。Turbo是一种特殊的算法，可以从嘈杂的噪声中提取有用信息，在一个工作循环(cycle)内，这个解码器可以执行大约3万次，哦对的没错3万次RISK指令。是的，通用的压缩(Compression)处理器只能执行一次指令，而这个专用处理器可以执行3万次。当然这是一个极端的例子，只是想表 明当你知道你的问题在哪里，你就可以做出很多令人难以置信的事情。并行，并因此难以置信的高效率。

　　同样的原则可以适用于各个层面，适用于各种其他门类的专用DSP、无线接收器，适用于基带和音频的通用DSP，也适用于客户意欲进行视频处理或其他图形压缩、安全操作、网络协议处理，以及广泛应用于射频的深嵌入式控制(Deeply Embedded Control)。

　　Tensilica特别集中精力于那些能够专门优化的能力，以及真正方便使用多核的能力。而因此，我们从那些传统的CPU老家伙们中区别了出来。譬 如Intel、ARM、MIPS，或者其他什么人。他们都面临一个相同的物理问题，摩尔定律在给了他们更多的晶体管之后，却没有给他们更好的功率控制，对不对?

　　他们很少去考虑并行的问题。而与之相反，我们在应用层面非常努力地工作，以期寻找到解决方案。在云计算那段，我们确实可以将任务分割成很多子任务， 但是当我在这里玩游戏(Chris又一次拿起手里iPhone开始演示)，我真的被限制了。你看，一个手指只能玩一样东西哈。因此在应用处理器的层面，你 真的无法得到啥好处。MIPS、ARM，甚至还有Intel，都面对着这样一个无法在当前硅科技下有效完成多任务的问题。而那是我们擅长的。

　　我们看到这个市场在迅速增长，去年的出货量增长了大约70%。然后我们会试图进入所有的DPP(Data-Plane Processor)领域，包括DSP、音频视频、安全，以及深嵌入式控制，这其实和应用处理器的范畴离得很远。所以啊，我们常常会发现自己和MIPS、ARM或Intel出现在同一块芯片上。你知道吧，其实我们就是工厂的工人啊(Chris突然哈哈大笑)!因为有这么多不同的处理器，在Date-Plane里又有这么多不同的任务，那些小而高效的处理器会有很多机会，很多接口(Socket)。

　　这种对于应用处理器或者接口的互补性，甚至于可以让应用处理器在执行类似于信号处理这种实时任务的时候，也完全关闭。或者比如多媒体应用，应用处理 器当然可以去做，但是如果我们优化专用音频DSP的话，将获得4到5倍的效率。尺寸更小，单位时间内的吞吐量却更大。而且可以用如此多的音视频处理器够你 选择。所以几乎任何时刻，系统设计师或者SoC设计师都可以通过区别应用场景的方式，来决定卸载(Off Load)哪个处理器。

　　这也是为什么我认为我们可以在音频方面取得这么大的成功。当你正在设计一个手机，或者阅读显示器，或者机顶盒，或者数字电视，或者数码相机，你会 说，啊，这里有一种场景需要我做大量音频的工作。于是，把那种卸载很自然地就被设计到到基本构架里去了。

　　而且，我们可以为应用层面的处理器自动生成软硬件，尤其是基于音频和基带的非常全面的软件库(Software Libraries)。因此，不管是老手还是菜鸟，在我们的店铺里都能找到他们所有需要的软硬件解决方案，以帮助他们最快地进入市场。集成音频、集成基 带，或者其他各种功能。

　　5、那么Tensilica有什么具体的应用吗?

　　Chris Rowen ：今天下午，我将讨论一下移动电话。这是一个巨大的市场，一个可以满足之前所说带宽需求的市场。特别是从当前正从3G向4G升级，大家都聚焦在LTE身 上。不仅因为LTE看上去很像是最后标准的胜者，也因为它非常像WiMax。我们已经能够提供参考设计，帮助客户建立他们自己定义的多核LTE手机，在市 场中抢得先机。这只是一个我们进入领域的实例。

　　我们也在做一个很类似的数字电视解调器。因为有人希望既为移动应用又为起居室设计一种通用的数字电视接收器。这里有个很大的问题，就是全世界在视频 领域有好多不同的标准和概念，而每个人都真心希望拥有一块可以解决一切的视频芯片。我们准备来设计一块。其实应用一样的原理，就是找些DSP和专用核，优 化最密集的任务，并充分利用我们最重要的能力——生成处理器的功率效率非常小，以及和世上最稳定的通用DSP一样易于编程的软件工具。昨天晚上客户还和我 们说，DSP如此招人待见的最主要原因就是可编程。譬如TI的那些DSP。我们同样在努力使编译器更强大，使程序模型简单，使程序员更不操心。我们还微处 理器的流水线设计上增强了视觉效果。这种架构下要还能生成不正确的代码，也怪难的。

　　因此，我们拥有一个非常高效的处理器。但是效率(Efficiency)这个词值得商榷。传统意义上而言，效率就是指最少的门数、最小的功耗，巴拉 巴拉。但效率也是将产品推向市场的时间。需要多少工程师才能部署好这个系统?每行代码的成本是多少?每个工程师小时(Engineer Hour)所能带来的收入?除了硅片层面的效率以外，这些同样是测量效率的重要参数。我认为我们在这两面都推动得很好。刚才讨论的那种架构，也特别适合在 大量出货的领域。移动设备、客厅设备、数码相机，这些都是我们做得非常好的地方。这几个领域四大厂商中的三位，十大厂商中的六个都是我们的客户。

　　我们主要是在DPP方面拥有很强的知识积累，但同样的影响也已经开始在云计算上面出现。当然，现在云计算的变化还比较慢，部分原因是它并非对功耗如 此敏感，但我认为整体上还是会有影响的。