ITRS的工序路线图与新一代嵌入式多核SoC设计

在网络无处不在、IP无处不在和无缝移动连接的总趋势下，国际半导体技术路线图(ITRS)项目组在他们的15年半导体技术发展预测中认为，随着技术和体系结构推进“摩尔定律”和生产力极限的发展，将出现若干新的半导体技术，在芯片之上或者在芯片之外不断扩展新的功能。图1就显示了手机芯片技术的发展趋势。


总的来说，新兴的半导体技术可以分为三种：摩尔定律、广义摩尔定律、超越摩尔定律。所有这些都能对嵌入式网络空间起到显著影响，使用系统级芯片体系结构通常会用到以下技术：多核(MC)、分级缓存、芯片内连接、按需提供的加速引擎、可连接性。

所有这些技术加起来就能够提供一个可扩展、基于软件多核／加速引擎的系统级芯片(SOC-MC／AE)解决方案，可以满足从低端到高端的各种应用程序需求，通过这些新的服务实现并扩展各种用户体验。

三种“摩尔定律”

随着技术与体系结构推进“摩尔定律”和生产力极限的发展，在2005年ITRS首次提出了“超越摩尔定律”的概念，用来指代那些不可度量的功能性集合。不仅包括大部分的模拟功能，还包括无源器件、高电压、传感器、促动器和启动器等。

在ITRS举办的大会上，他们给出了这三种“摩尔定律”的大致定义：
摩尔定律：几何级规模增长。
广义摩尔定律：算术级规模增长。
超越摩尔定律：功能多样化。

“摩尔定律”主要指在度量芯片逻辑和内存的物理特性各个方面都呈现几何级规模的持续增长，它能增强芯片的密度(减少功能的单位成本)、性能(速度、能力)以及对应用程序和最终客户的可靠’性价值。

“广义摩尔定律”通常是指那些与几何级规模增长特性相关、能够影响芯片电子性能的处理器技术。

“超越摩尔定律”指集合在装置中的各种功能，它们无法用摩尔定律来度量，却能以不同的方式为最终客户提供各种附加价值。

这些“超越摩尔定律”的方法，通常使用一些非数字化的功能(例如射频通信、能源控制、无源组件、传感器、促动器及第三方的IP等功能增强组件)。将这些技术应用于系统板级／特定封装级(SiP，系统内封装)或芯片级(系统级芯片)等潜在的解决方案。

总的发展趋势是，越来越多的功能都不再以同样的模式增长(摩尔定律所定义的那样)。这是功能多样化，而不是简单的增长，但是商业和技术发展的一个方面。

将“摩尔定律”与“超越摩尔定律”联合起来，就能够得到系统级芯片或者系统内封装，这并非芯片上同样功能的简单整合，而是能真正增加其价值的整合。

SOC设计中的功能多样化

国际电信联盟无线通信部(ITU-R)正在研究未来系统中的用户需求预测。例如在即将到来的2010年，为了满足IMT-2000(国际移动通信标准)及更先进的技术需要，预测全世界所需要的频谱带宽总量。

IMT-2000系统属于第三代移动通信，在固定电线网络(例如PSTN／ISDN／IP)及各种其他移动特有服务的支持下，能够访问各种电信服务。IMT-2000主要特性包括：

(1)通过各种服务和终端能够提供多媒体应用的能力。
(2)各种具体技术具有高度的共通性。
(3)在IMT-2000和固定网络之间具有业务一致性。
(4)质量很好。
(5)全世界漫游。
(6)很小的终端可以在世界各地使用。

在未来5～15年，还将有以下发展趋势：

(1)网络可扩展性进一步增强，在任何时间、任何地点、任何设备上都能以宽带的速度接收高质量的多媒体内容。

(2)在市场上，终端用户将是创建各种多媒体内容的主要力量。

(3)将出现很多高级的基于IP的应用和服务，推进高带宽可扩展性网络的不断发展。

(4)出现装备多个内核或者支持多线程的芯片及加速器的多处理器平台，以支持各种高级应用和服务。

(5)处理器技术进一步发展，出现从65nm到45nm、32nm、22nm乃至10nm的工艺水平。

(6)网络中随处可见可扩展的封装与反病毒技术。

(7)家庭网络将越来越复杂，包含了各种数据通信与娱乐功能。

(8)在家庭、办公室及野外能够实现无缝移动性。

与传统的PC应用程序或者服务器应用程序相比，考虑到内核速度与内存I／O延迟等的本质性差异，如今的嵌入式处理器体系结构并不能提供可观的性能，无法满足先前提到的联网计算场景的需求。

现在．几乎所有批量生产的商业性处理器都是基于单线程体系结构技术设计的，这必然受到性能和应用方面的诸多标准限制。随着应用变得越来越依赖于网络，这种传统的处理器设计技术将无法满足聚合计算与网络范式的吞吐量需求。

这种基于“包”的计算环境特点在于大数据量访问带来的延迟，使用传统的处理器体系结构无法进行有效管理。这个问题将会严重影响处理器的性能和工作效率。如果内存处理不能得到立即响应，并且也没有弥补的指令可以执行，那么传统的处理器将暂停运行，造成处理周期的损失。

SoC-PE用户与SOC-MC／AE网络体系结构

将“广义摩尔定律”加入到设计中，能够得到一个聚合的、整合的异构平台，能够创建一个可扩展的、智能的、坚实的增值环境。这种基于使用三种“摩尔定律”的可扩展性得到的SoC-PE平台。将成为一种重要的发展方向。

在2005年初，ITRS就引入了SoC-PE体系结构模板，其中的PE是指为了满足可移植性与无线应用(如智能媒体电话或者数码相机芯片)等特定功能，以及高性能计算和企业级应用等需求而定制的处理器。

作为这种SoC-PE体系结构的补充，又定义了一种多核／加速引擎(MC／AE)的系统级芯片体系结构模板，用来解决网络相关问题。这种MC／AE的SoC网络平台包含了以下必需的功能模块：

(1)支持多核技术，以便在30W的电力条件下能够提供良好的处理性能。

(2)支持前所未有的三级缓存，内部的L2与多个L3共享缓存和多个内存控制器。

(3)支持高速的互连接性。

(4)引入了一种可扩展的芯片内连接，能够实现并行、无阻塞、基于硬件、100％使用缓存的平台连接性，它最多可支持32个内核，且支持异构内核。

(5)为了满足多核技术的需求，去除了共享总线的连接方式，能够支持快速的高带宽通信寻址。

(6)包含了一个按需提供的加速引擎，通过纯内核处理周期、低能耗实现和减少用硅量成本来提高性能优势。