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打破摩尔定律,嵌入式微控制器将走向何方?




从上世纪70年代微处理器诞生以来,性能、功能和功耗表现一直按照摩尔定律在提高。但是从大型机时代一直到现在的移动互联网时代,不同的应用对各类处理器提出了非常不同的需求,由此产生了种类繁多的微处理器。由于技术的进步和具体应用的需求变化,处理器的发展有点纷繁复杂的味道,本刊通过采访多位业内专家,给工程师读者整理出一个嵌入式微处理器技术发展的整体脉络。

以多核提升性能功耗比

Tensilica亚太区销售总监Sam Wang声称,多核技术将是未来处理器发展的主要趋势,包括同构和异构多核技术,而不是一味追求更高的处理器主频。

多核处理器把多个处理器核集成到同一个芯片之上。得益于片上更高的通信带宽和更短的通信时延,多核处理器在并行性方面具有天然的优势。通过动态调节电压/频率、负载优化分布等,可有效降低功耗。研究表明利用大量简单的处理器核提高并行性可以取得更好的性能功耗比。

Sam Wang认为这种趋势是多种因素综合决定的。首先随着半导体制造工艺进入深亚微米时代,增加芯片中门电路的边际成本变得越来越小,因此我们可以在单个芯片中集成更多的功能。考虑到漏电功耗对整个芯片功耗的影响,靠提升主频来提高单核性能不如将任务分配到运行在较低主频的多颗处理器上运行,这样设计团队可以更好的控制整个芯片的功耗。而后PC时代到来,越来越多的芯片将用于电池供电的设备,3C设备将在单个手持或口袋设备中融合在一起,使得低功耗成为芯片设计的重要需求,而不再是摩尔定律带来的“免费赠品”。

正是这些方面的巨大优势,所有的处理器厂商都推出了多核处理器产品,从最高端的服务器处理器到对功耗非常敏感的嵌入式处理器,都走上了多核处理器的道路。在移动处理器市场占据绝对份额的ARM发布的Cortex A9是它首个多核心处理内核,由此所有的主流处理器架构都走上了多核化的道路。

即使在DSP领域,这一趋势也有体现。德州仪器半导体事业部业务拓展经理丁刚就表示,在某些苛求高性能的应用中,DSP多核方案会越来越多。

回顾整个计算机架构发展史,从大型机到x86架构的PC,发展趋势从来都是以分布式的多核运算替代高主频的单核架构,因此相信嵌入式微处理器设计也将按照这样的趋势发展下去。

多线程也是一个方向

在嵌入式处理器领域,MIPS的MIPS34K内核是目前业界唯一可公开授权得到的多线程CPU内核。MIPS中国区市场总监费浙平认为多核处理器和多线程技术是未来嵌入式处理器的一个方向,因为多线程处理器在一个CPU核上对软件模拟出两个逻辑处理器,以极小的硬件代价获得相当比例的总体性能和吞吐量提高。这可以算是MIPS的一个构架方面的优势,因为它的主要对手ARM还没有支持同时多线程技术的内核产品。

原来的ARM处理器内核确实没有支持同时多线程技术,但ARM市场部经理Kumaran Siva在Linley技术处理器大会上表示,ARM会根据不同领域的应用需求来支持多线程技术,首先可能会用于网络和通信领域。网络和通信市场是对处理器要求最高的领域之一,多核多线程属于基本的要求。在思科、华为等通讯设备商的网络设备里,大量存在几十核的微处理器。当然在高性能领域,ARM还是一个追赶者,它的优势还是在低功耗方面。

多核和多线程技术的联合使用是目前处理器理论和实践中能实现的最强并行处理技术,多核和多线程技术的软件基础是多线程编程,如何分配和管理任务的线程,以及由此带来的性能开销都是整个计算机科学最核心的研究课题。

超标量超流水线技术闯进嵌入式领域

超标量和超流水线技术现在广泛用于高性能通用处理器上。在嵌入式市场,功耗从来是重中之重,这些技术应用的相对较少。但是随着半导体生产工艺的提高和对高性能的个人/家庭娱乐/信息终端的巨大需求,嵌入式处理器的主频和性能都在大幅增长,其中最大的代表就是ARM的Cortex A系列,原来的ARM11处理器一般主频只能达到500MHz左右,而现在高端手机使用的Cortex A8已经达到了1GHz主频,A9更上层楼,最高可达1.5GHz,最新发布的A15内核可以达到2.5GHz。提高主频的方式主要靠两个方式:制造工艺的改进和拉长的流水线。这种主频倍增的情况显然是两种方式共同作用的结果,肯定也加入了大量的分支预测电路做到乱序执行,否则新的内核也不可能达到原来内核的3~5倍性能。而MIPS的费浙平也自豪地宣称,仅使用普通设计流程和物理IP,MIPS74K 主频在TSMC 40nm 工艺下能达到2.4GHz以上的主频。MIPS74K正是双发射不对称乱序执行超标量处理器,拥有业界最高单核全速性能。

显然,在服务器和桌面市场曾经发生过的主频和性能大战在嵌入式领域又要上演了,手机和平板电脑市场是其主战场,高主频多核心的处理器是所有消费类电子产品的主要卖点。当然由于嵌入式产品的特性,功耗永远不会被各大厂商忘记。英特尔甚至为了降低产品功耗进入嵌入式市场,把Atom处理器的分支预测电路都阉割了,真可谓是殊途同归,目的当然是为了达到特定应用的要求。

DSP和mcu的指令扩展

指令集构架属于计算机体系结构的核心,它的发展历程也就是整个处理器的发展史。历史上的计算机分为CISC和RISC两种指令集构架。这两种指令体系在80和90年代曾经有大量的争论,现在RISC处理器占据了绝对主流的地位,就是以CISC面目出现的x86处理器也早开始使用RISC内核。

指令体系的进步可能是计算机体系结构最核心的改进,也是难度最大的部分,近年来也难以有实质的突破。但在RISC微处理器发展过程中,产生了超长指令字(VLIW)微处理器,它使用非常长的指令组合,把许多条指令连在一起,就可以并行执行。VLIW技术在DSP领域得到了实际广泛的应用,TI、ADI和CEVA的DSP内核都采用了这种指令构架。

德州仪器的丁刚和ADI的张铁虎都认为:SIMD (多通道结构和单指令多重数据)和VLIW (超长指令字)将会在新一代高性能DSP处理器中占据主导地位。

Tencilica的Sam Wang指出,传统的固定架构处理器靠提升主频来提高性能,而Tensilica的可配置处理器通过添加专用指令提高数据处理的效率,从而在较低主频下达到相同或更高的性能。

飞思卡尔微控制器事业部高级系统工程师 Charlie Wu则认为,32位MCU也会增加DSP所具有的乘累加指令,但是只是整数指令。这样MCU也具有一些DSP的功能,可以进行一些对实时性要求不高的滤波器计算。

爱特梅尔公司亚太区战略营销总监曹介龙则强调,随着新一代具DSP功能的MCU的面世,入门级DSP和普通MCU的差别变得越来越小,界限也变得越来越模糊。爱特梅尔具有整数、定点DSP算法、单周期乘法和累加指令的32位AVR MCU就是一个很好的示例。

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