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SoC架構(gòu)過去以處理器效能或低功耗元件為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),然而近年也開始重視存儲(chǔ)器元件。因此,芯片制造商現(xiàn)在得考量更多前端決策,包括擺置(placement)、存儲(chǔ)器類型、接取優(yōu)先次序(access prioritization)等。
據(jù)Semiconductor Engineering報(bào)導(dǎo),從存儲(chǔ)器接取來討論,設(shè)計(jì)人員可透過軟件進(jìn)行優(yōu)先化,也可直接用物理方式,像是將處理器貼近存儲(chǔ)器來減低延遲性,或?qū)㈦娋€調(diào)粗。此外,也可設(shè)計(jì)從記憶槽外接存儲(chǔ)器,盡管延遲性提高,成本卻可降低。外接存儲(chǔ)器尺寸雖可加大,不過封裝選擇也往往造成新的問題。
而芯片業(yè)者也得決定存儲(chǔ)器速度、電壓、功能、軟件等等。舉例來說,有的軟件較仰賴處理器,而有的軟件則較仰賴存儲(chǔ)器。而最終抉擇對(duì)于芯片的系統(tǒng)表現(xiàn)、芯片成本、散熱程度、調(diào)試(debug)與驗(yàn)證時(shí)間、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)度都會(huì)有所影響。
益華電腦IP團(tuán)隊(duì)技術(shù)長Chris Rowen表示,由于存儲(chǔ)器體積大,對(duì)于循環(huán)時(shí)間與延遲性更大,因此面臨的物理問題比其他元件還要多。因此,設(shè)計(jì)人員得思考芯片內(nèi)需要多少存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器擺置于何處。然而,往往難以決定芯片需要多少存儲(chǔ)器才足夠,因此常直接加入更大存儲(chǔ)器容量與程式碼容量。
關(guān)于存儲(chǔ)器的每項(xiàng)決策,都有其優(yōu)缺點(diǎn)。廠商希望讓存儲(chǔ)器體積愈小愈好,但是卻希望容納愈多的存儲(chǔ)器。而對(duì)于某些問題,快取階層很重要,然而處理其他問題時(shí),卻無法采用快取階層,因此隨時(shí)得把尺寸放在心上。
而存儲(chǔ)器也不斷面臨中心化(centralization)與去中心化(decentralization)架構(gòu)抉擇,當(dāng)存儲(chǔ)器愈中心化,存儲(chǔ)器資源就愈有彈性,而去中心化則可透過架構(gòu)平行(parallelism)達(dá)到,而其中一項(xiàng)方式則是將計(jì)算機(jī)區(qū)隔開來。
新思科技(Synopsys)嵌入式存儲(chǔ)器IP產(chǎn)品行銷經(jīng)理Prasad Saggurti表示,嵌入式存儲(chǔ)器有數(shù)種應(yīng)用方式,其中之一是減低電壓,可使用芯片代工廠的位元芯片(Cell),再替讀寫功能添增電路。
廠商也可以使用體積較大的邏輯位元芯片,不過使用這此方法,得先考量低功耗重要性是否優(yōu)于芯片尺寸。以網(wǎng)路芯片而言,尺寸大一點(diǎn)通常較無關(guān)系,但是以智能型手機(jī)芯片而言,設(shè)計(jì)人員無法使用邏輯位元芯片,因?yàn)樾酒叽缲P(guān)至極。
在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的世界,人們對(duì)于存儲(chǔ)器需求有所不同,廠商往往會(huì)將存儲(chǔ)器的電壓與頻率調(diào)低,讓存儲(chǔ)器在臨界電壓(Threshold Voltage)以下運(yùn)行。
這樣的電路操作有利于無需快速喚醒、電池難以更換的智能型裝置,像是位于路燈或橋上的裝置。近臨界區(qū)(Near-threshold)或次臨界區(qū)設(shè)計(jì)會(huì)嚴(yán)重影響芯片效能,然而卻可顯著省電。
廠商也可采用更平衡的取徑,替存儲(chǔ)器搭載雙軌模式,讓周遭電路用以比位元芯片更低的電壓運(yùn)行,如此一來不會(huì)犧牲位元芯片效能。
而設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器最復(fù)雜之處在于,許多需考量的因素相互矛盾,像是在存儲(chǔ)器之中,位元愈多愈好,然而SoC設(shè)計(jì)卻聚焦于減少體積余裕(margin),且提升效能、降低功耗。
在設(shè)計(jì)中加入快取一致性(cache coherency),即可提升達(dá)到此提升效能、降低功耗目的,但所有的快取一致性子系統(tǒng)都得根據(jù)不同設(shè)計(jì)公司(Vendor)的不同需求來進(jìn)行客制化,而每間公司要的又有所不同??烊∫恢滦匀允嵌嗪诵男酒O(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù),可讓不同核心于同一處理器組當(dāng)中分享存儲(chǔ)器。
此外,存儲(chǔ)器架構(gòu)也成為另一塊矛盾的領(lǐng)域。一直以來,單芯片內(nèi)建存儲(chǔ)器(on-chip memory)比外接存儲(chǔ)器(off-chip memory)快速,而頻寬一直是內(nèi)建存儲(chǔ)器的最大問題之一。
2015年高頻寬存儲(chǔ)器(HBM)正是上市后,人們可在高頻寬存儲(chǔ)器與嵌入式存儲(chǔ)器之間選擇,提升存儲(chǔ)器頻寬甚至可減少存儲(chǔ)器尺寸20%,而討論也往往圍繞著大小和功耗。
然而,要達(dá)到芯片尺寸縮小與功耗降低的目的,尤其是在多核心架構(gòu)之下,得先討論芯片優(yōu)化。高頻寬存儲(chǔ)器和混合立方體存儲(chǔ)器(Hybrid Memory Cube;HMC)都需要進(jìn)階封裝制程,像是2.5D、3D、甚至是單體3D封裝。
新的封裝選擇可透過直通矽穿孔(Through-Silicon Via)中介層(interposer),減少存儲(chǔ)器接取當(dāng)中的寄生元件(parasitics)。然而,這樣是否能使速度快于內(nèi)建存儲(chǔ)器,仍取決于位置、連接速度、材料、電壓與頻率等其他因素。
目前而言,論及存儲(chǔ)器問題很難有簡單的解決方案,未來隨著各方面數(shù)量與復(fù)雜度提升,問題與矛盾也恐將愈來愈多。