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摩尔定律:迈向SW定义的硬件

第2部分:异质性和架构成为缩放益处缩小的焦点;IP可用性可能是有问题的。

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推进到下一个进程节点将继续是一些芯片(cpu、fpga和一些asic)的主要驱动,但对于许多应用程序来说,这种方法作为进步的衡量标准已经变得不那么重要了。

这一变化背后是通过使用通用硬件使用定制软件的转型,以一系列的专用异构硬件,可以通过更少的能量来实现更好的性能。在过去的十年中,趋势一直是向软件添加更多功能,因为它更容易修复和更新。但这种方法较慢,使用更多的功率,并且不太安全。因为在每个新的过程节点中,不再有动力和性能的自动改进,芯片制造商正在逐步逐步尝试在软件中进行所有事情。

这在各种应用程序中都很明显,但最明显的是在数据中心中,对性能的需求一直是同义词摩尔定律。微软Azure基础设施的总经理、杰出工程师库沙格拉·维德(Kushagra Vaid)说:“摩尔定律正在减速。”“CPU释放变慢了。缓存和多核存在冯·诺伊曼瓶颈。这个基本的设计正在失去动力。每瓦特的性能受到了挑战,每晶体管的成本也在增加。在云中,有不同的工作负载,它们不能在通用CPU上高效运行。”

这个行业不再仅仅依赖于硬件或软件,而是转向了软件定义的硬件。这有几个主要的含义:

  1. 它将芯片硬件更接近客户,允许芯片制造商比PC时代以来的任何时间都变得更加涉及最终市场。
  2. 硬件和软件的协同设计是需求而不是选择,并迫使双方进行迭代设计改进。
  3. 重点是更个性化的设计,而不是巨大的单尺寸适合 - 所有芯片。

这导致了芯片公司和系统公司内部设计策略的改变。

“许多公司将决定他们的软件需求,然后选择他们的处理器,”市场开发高级总监BILL NEIFERT说手臂。“但是我们所看到的是他们最初认为他们需要的是他们实际需要的往往是不同的,所以他们最终选择一个不同的处理器。”

用于制造这些决定的关键指标是性能,这是讽刺意味的是,arw的主要差分器是低功率的讽刺。但后面这是一个并发偏移到更小的应用程序特定的处理器,其中低功耗是给定的。“制造这些决定的人往往没有看着单片处理器的超高端,”Neifert说。“他们正在寻找像先进的微控制器这样的芯片。然后他们返回并修改软件以提高处理器的优势。该趋势是较小的处理器,使用更多指定软件来解决更多指定的任务。软件更重要,但没有一个处理器必须运行100个可能的100个负载中的任何一个。相反,它可能必须做三个或四件事。“

该观点正在整个半导体行业呼应。“您开始看到的是不同工作负载的不同架构,”营销和业务发展副总裁Anush Mohandass表示NetSpeed系统。“未来将会有用于图像识别、SQL和机器学习加速的芯片。不同的工作负载会有不同的芯片,而这些工作负载将被用于设计芯片。”

更多市场,更多选项
这些发展的背后是半导体市场的广泛转变。没有新的单一平台能够推动基于单个SoC设计的10亿或更多芯片的销售。苹果(Apple)和三星(Samsung)瓜分了高端智能手机市场,它们的地位被华为(Huawei)、Oppo、Vivo和小米等公司蚕食。


图1:智能手机厂商市场占有率。来源:Statista。

这并不意味着半导体需求的萎缩。事实上,远非如此。半导体市场看起来相当强劲——尤其是从数量上看。但是没有一个单一的平台能够产生与智能手机相同的单一和/或衍生设计量,而且在一系列的新市场中,转移到下一个流程节点的原因并不那么明显。

所以不是为半导体创建一个单一的路线图,这是什么国际半导体技术路线图直到去年,IEEE突破了众议院突破了一些特定的市场领域,以获取设备和系统(IRDS)的国际路线图的绰号。到目前为止,焦点领域是大数据分析,特征识别,自动驾驶汽车优化的东西,以及虚拟和增强现实的图形。

“我们正在创造的是更多的应用程序驱动,”IEEE重新启动计算倡议和佐治亚理工学院计算机科学和电气计算工程教授的联合主席Tom Conte说。“所有焦点团队都将创造迷你路线图。”他指出,与此努力平行,日本正在开发自己的应用驱动半导体路线图,称为日本的系统和设备路线图。

这在流动性之外尤其重要,流动性将继续推动更大的密度。

“对于某些应用程序,如移动和基础设施,他们必须推动表现,”Lip-Bu Tan,总裁兼首席执行官韵律。“它们正在从10nm降至7nm,将来还会降至5nm。但挑战在于,性能、功率和价格的两倍提升正在放缓。成本肯定在上升。你没有看到巨大的性能和功率差异,所以其他公司可能会停留在16nm,因为没有令人信服的理由转移到7nm。然后有些会跳过这个节点。这取决于产品何时推出、开发周期以及性能、功率和成本的增量。提高产量需要时间。一些公司也开始采用新的打包方法并增加并行性。这不仅仅是单纯的计算。 There are multiple choices for how to achieve the same goals.”

IP限制
IP的可用性加剧了移动到下一个流程节点的困难。在最先进的流程节点上开发IP是昂贵的,而且回报是不确定的。首先,在40nm以下,每个代工企业的工艺都非常不同,这给IP供应商带来了负担,要跟上所有不同可能的节点和同一节点上的实现。另一方面,即使是在一个单一的铸造过程中,最先进节点的开发过程也是如此复杂,以至于IP供应商抱怨他们的开始常常低于1.0版本,有时甚至是0.1版本或更早。

“你需要超高性能的IP,无论是SerDes块还是接口,你需要弄清楚在什么流程中什么是合格的,”Mike Gianfagna,营销副总裁说eSilicon。这在一定程度上推动了公司的扩张决策。它必须是经过验证的IP。在理想情况下,这是1.0 PDK,但现实情况是,您开始开发这些程序时最多是0.5,并且要努力达到1.0。所以现在你有公司跳过节点因为人力Finfet.是天文学。您需要计算电源,EDA许可证,存储,以及为一个FinFET节点进行芯片,在下一个节点上没有大量重复使用,因为您必须针对电源和信号完整性进行优化。“

这也给IP管理带来了一场噩梦。“寻找IP只是问题的一部分,”Ranjit Adhikary说,营销副总裁ClioSoft。“集成它添加了一个完整的不同问题。你想知道什么是什么,是什么流动,什么是刚果,并且通常你不知道已经录取了什么。“

在10nm或7nm处,必须在甚至可以认真考虑之前录取IP,因为并非所有的所有印刷品都会按预期打印。“您还需要比较不同版本的IP,”秘密说。“所以你可能有1.0版和1.1版。你需要能够做到比较。“

复杂性和不确定性
这也延续到了SoC世界,在那里越来越强调更大的集成块和子系统,而不是单个IP块。

Zibi Zalewski总经理说:“现代SoC项目是由不同类型的互联、可伸缩的子系统组成的aldec硬件部门。“基于目标市场或客户的要求创建最终配置,子系统的可扩展性允许它们非常快速地增大大小和复杂性。例如,从双重到四核来说,这不是一个问题。但它可能是一个问题,可以追赶适当的工具。此外,项目的硬件部分不再是主导元素。软件层对项目添加了重大复杂性。所以它不仅仅是关于晶体管数量的数量。它也是目标功能。“

每个新节点都有大量的不确定性,并且在这些节点上工作的大多数芯片制造商都认为是在前沿工作的挑战之一。但两个重要的事情发生了变化。首先,每个新节点的助焊剂中有更多因素,因为它可能出错。其次,市场本身正在过渡,因为未来的大多数大的机会都是新的领域,与过去不同,那里有一个进化的路径,从大型机到PC到智能手机/平板电脑/ pC的进化路径。这使得过时是一个很大的问题,今天在几年的汽车中显而易见,因为他们不支持使用4G手机的短信或搜索。

过时是昂贵的,这是IEEE特定于应用的路线图之后的驱动因素之一。软件最初是处理该方法的一种方法,它将继续发挥作用,因为它比硬件更容易修改软件。但FPGA也在普及,同样,因为随着名称表示,它们可以在该领域进行编程。

这一点尤为重要,因为半导体的许多未来增长领域都处于快速变化的市场中,比如自动驾驶汽车、医疗和工业电子以及人工智能。“有很多协议和接口要么在改变,要么还没有完全定义,”肯特·奥斯纳(Kent Orthner)说ACHRONIX.。“这很清楚CCIX(加速器的高速缓存相干互连),它增加了PCIe的缓存一致性。这简化了编程,并且对此有很多兴趣,但规格不是固定的。因此,对于想要磁带的公司现在,他们希望添加一些可编程性。汽车对此是一样的。你现在想把技术送入汽车,但算法是如此新的,使东西放入ASIC中是可怕的。“

处理数据泛滥
影响摩尔法的另一个变化是数据的爆炸。自从PC引入以来,已经争论是否集中或分发数据。虽然这些辩论中的一些辩论是对移动用户的自然界政治,而大型铁公司及其对移动设备制造商的生态系统及其生态系统 - 这些论点现在主要是实际意义。纯粹的数据量使得在本地处理一些数据并仅移动该数据的子集。实际上,处理更接近数据,芯片针对某些类型的数据而优化,而不是其他方式。

“这是迫使范式的变化,”杰图·沃各,杰出的发明者和营销解决方案副总裁兰姆斯。“摩尔定律不再适用于现代缩放。数字数据的增长速度远远快于处理能力的增长。如果每两年都翻一番,那也没什么。如果你想分析这些数据或通过它们进行搜索,这与他们的架构所要做的是不同的。”

其中一个改变是重新考虑到底有多少数据需要存储到内存中,以及有多少数据可以存储在本地。“数据有空间局部性和时间局部性,”库尔特舒勒,营销副总裁动脉率。“添加缓存时,您可以利用两者。关键是使用房地产更加智能。“

因此,而不是将所有内容发送到内存,多个缓存和代理缓存可以快捷方式从加速器芯片到不同设备的数据流快捷方式。虽然这在技术上仍然是von neumann建筑方法,但它是一个更细粒度的植物版本。重要的是,起点是数据并遵循它如何移动,而不是依赖于集中式芯片架构来处理一切。实际上,它对架构的负担造成了由软件定义的架构,而不是任何单个芯片的速度或过程几何形状。


图2:von Neumann架构。资料来源:半导体德赢娱乐网站【官方平台】工程

安全
在所有这一切中起作用的一个新因素是安全。破解硬件比破解软件更难,因为如果它的架构正确,它就需要一个实体设备。另一方面,软件更容易远程入侵。最终,这更有利于在多个硬件组件中实现更多的功能。但它也增加了成本,这迄今限制了它的采用。

该公司董事长兼首席执行官沃利•莱因斯表示:“我们有各种各样的技术来设计更安全的芯片。门托,西门子的一家企业,在近期首席执行官面板讨论期间在电子系统设计联盟讨论。“问题是设计那些筹码并建造它们并销售它们的人真的不想为这种能力支付很多。My forecast is that sooner or later we’re going to have an embedded Trojan in a chip that causes someone to lose a lot of money, or causes physical harm, and then the purchasers of chips will come to their semiconductor suppliers and say, ‘Oh, by the way, would you mind adding this sentence to the purchase agreement that there are no embedded Trojans within the chips your selling us?’ And then you’ll go back to the lawyers and say, ‘It that okay to add that in?’ They’ll say, ‘Absolutely not.’ And then we’re going to get into a mode of what is best in class and what are people willing to pay for, and it will become a big part of what you design into an integrated circuit, like power analysis.”

Aart de Geus,主席和合作社synopsys.表示同意。“这是一个非常复杂的问题,”他说。“硬件方面和软件方面都存在问题,但最大的漏洞就在交叉路口。这些是最不容易理解的,也是新的。如果你看看更夸张的黑客行为,比如入侵吉普车通过信息娱乐系统,这些都是非常复杂的。解决方案将是多重的。一个是我们系统地把它建立起来。虽然它可能不安全,但至少会符合安全规定。监管是部分答案。其次,它需要通过建设获得保障。 To do this after the fact is a hopeless in an enormous state machine. You’ll never find those issues. In our case, we have invested substantially in six or seven companies to build security into the software, or to detect what we can detect automatically. But gradually the expectation will rise, and you will need to standardize to a certain degree.”

尽管如此,安全性还将另一个元素添加到需要考虑的软件驱动的设计中。

“安全也是工作负载的一个方面,”NetSpeed的Mohandass说。“如果你有10个操作系统在运行,它们不应该相互了解。”

自动化工具
显而易见的是,从工程角度来看有许多目标的路线。虽然摩尔的法律往往是萎缩特征的代名词,但下林是经济的。目标较小,更快,更便宜,但没有更便宜的部分,其他两个因素永远不会发生。

随着规模的不断放缓,真正的挑战是继续摩尔定律的经济效益,而这正是EDA公司看到的巨大机遇。

“小型建筑变革可能会对性能和功耗进行巨大变化,这就是高级合成等工具可以产生差异的地方,”营销副总裁戴夫克斯(Dave Kelf)说奥克森解决方案。“像这样的工具形状设计周期,这样您就可以花更多的时间从设计中获得更好的功率和性能。您也可以采取设计,已经完成并更快地迭代。你陷入了安排,但你可以缩小设计周期和验证,这使您相当于一个改进节点。“

这种增益可以推迟每两年移动到下一个节点的需要。另一方面,更快的工具和更好的工具培训可以减少花在设计方面的时间和金钱。

结论
从某一方面来说,摩尔定律仍然有效。从数字逻辑的角度来看,继续将器件缩小到至少5纳米甚至更远是可能的。但它的难度越来越大,成本也越来越高,而且收益与许多细分市场并不匹配。

越来越多地,使用多种组件的特定市场设计解决方案,这些组件是异构,软件定义的,更适合不同的任务。一定尺寸适合的时代即将到来,这是关于半导体开发的广泛陈述,远远不如相关。

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2的评论

首脑艾哈迈德 说:

基于RISC V ISA的低成本较小的区域CPU内核,具有自定义功能和特定的SW运行,可能是特定应用的未来趋势。

Gtre衍生物 说:

几乎所有领域的所有专用应用程序(不是以消费者为中心的)在某种程度上都朝着可定制的硬件方向发展,因为它们在保持性能的同时是可编程的。这一趋势将会增加。只有对成本极其敏感的以消费者为中心的设备才会受到摩尔定律的驱动,直到摩尔定律本身过时为止。

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