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表现越来越贴近I / O.

芯片制造商超越处理器速度作为性能改善速度速度速度速度速度。

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加速输入和输出正在成为改善SOC和ASIC中性能和降低功率的基石,特别是作为缩放处理器和添加更多核心,产生递减的回报。

尽管所有类型的处理器都在不断改进,但在每个新节点上改进的速度都在变慢。仅通过收缩功能或提高时钟速度,不再能获得预期的30%到50%的性能提升和更低的功率。此外,对于许多新应用程序来说,处理器速度只是几个关键性能指标之一。同样重要的是数据在设备之间来回移动的速度,比如智能手机和数据中心,或者在处理器和各种类型的内存之间。

“速度正在上升,但不仅仅是因为企业应用程序所要求的,”营销高级总监Navraj Nandra说synopsys.'设计软件模拟和MSIP解决方案组。“他们也在通过移动应用程序开车。但它不仅仅是处理器了。这是您将数据与内存和I / O的快速快速。“

此班次有几个关键驱动因素:

  • 热效应变得越来越有问题。在16/14NM引入FinFET的漏电流急剧下降后,该问题在10nm和7nm处用复杂性重叠。泄漏表现为热量,这可能导致电迁移,降低可靠性,有时会破坏芯片。解决处理器热量的最简单方法是更低的时钟频率,但这意味着芯片制造商必须利用更多处理器核心以较低频率运行或转向替代方法。不过,有限制可以使用多少核。虽然某些应用程序可以利用多个核心,但绝大多数不能同时利用许多核心。
  • 处理变得更加分散。与PC和智能手机不同,在大多数处理都在本地完成,有一系列需要局部和外部处理的组合的设备。在依赖于应用程序和架构的情况下,基本计算模型正在发生变化。输入/输出(I / O)是启动器。
  • 数据量正在上升,因此该数据的值也是如此。但是对于不同的人,值是不同的,有时甚至对于相同的数据也是不同的。这就要求以最少的能量尽可能快地来回移动数据。

添加所有这些因素,它解释了为什么I / O突然在新设计中得到如此多的关注。但是,如下所述,I / O有自己的一系列问题。

架构i / o
对于大多数设计来说,逻辑和内存是芯片的中心,而I/O是外围的。挑战在于从I/O基础设施接收信号,随着线路的收缩和信号需要传输的距离的增加,这个问题变得越来越困难。信号仍然需要通过芯片的“区域”进行路由,而在大多数情况下,“区域”几乎是平均分布在内存、逻辑和I/O之间。

在网络和数据中心应用程序的芯片中,I / O几乎完全由SERDES消耗,R&D和设计技术副总裁Prasad Subramaniam表示埃斯利昂。“我们正在使用两种类型的设备。一个是网络化,在那里几乎没有任何通用I / O.所有引脚都是高速的,这转化为约120至200个泳道。这也在增加每一代。去年,我们有15g Serdes。现在它在28克并跃到了56克 - 均在两三年内。我们正在进行的第二个设备是内存接口。我们仍然看到DDR4,但不像高带宽内存(HBM)一样,每销多达2千兆位。如果您添加24个引脚和八个频道,那么ASIC和内存之间的巨大I / O.“

建筑挑战是首先将数据放到I / O.“真正的问题是PIN访问,”Subramaniam说。“当您缩小逻辑时,没有足够的空间来路由信号。您添加了多个金属层和大量复杂电路。从不同I / O中可以有一个横杆到路由,或者您可能有一个总线所以信号需要被路由到总线。您可以通过添加管道阶段来解决这一点,但引入延迟,这是一个不断增长的问题。客户必须说他们愿意忍受多少延迟。“

这些问题在10nm和7nm时更严重。在5纳米时,量子效应开始出现,他们需要重新考虑整个芯片架构。

在其他市场中,这可以说是更糟糕的,因为有更多的I / O协议来抗争。在移动方面,有蓝牙,ZigBee,Z波,WiFi,4G,5G,LTE,Z波,Wigig。其中一些增殖,因为没有议定议定方案完全达成一切。有些只是在自己的生活中采取的下一代标准。即使是数据中心也是在PCI Express,Serdes,光纤通道的I / O协议中避难,以及可以利用遗留系统的其他其他人。

这些协议中的大多数是开放式开放的开发工作,这意味着它们是向后兼容的,旨在为未来的增长而设计。总的来说,它们增加了I / O方案的复杂性,因为芯片需要能够支持任何可用的协议。例如,考虑智能手机SoC。It needs to be able to connect to a car’s infotainment system using Bluetooth, a new car’s built-in WiFi hotspot, various cellular base stations while driving along at high speed (including 3G, 4G, LTE, and in some countries 5G), and to move that call seamlessly into the home environment when the driver leaves the car and enters their house. It also has to be able to send text or images, stream videos, or carry on a video conference using the same design.

“关于下一代I / O的讨论很多,”Synopsys'Nandra说。“它们也必须低功耗,因为你不能每销瓦的电力。然后,谈话通常掌握可靠性。每当您设计芯片I / O时,使用人体模型,带电设备型号(CDM)和机器模型进行ESD测试。但CDM要求正在增加,因为包装越来越大,因此同时增加速度要求。“

还有其他挑战。“SoC核心电压现在小于I / O电压,”他说。“在7nm处,栅极氧化物厚度非常低,即它无法承受高I / O电压。所以现在这个问题是我们是否可以将所有内容保持在1.8伏特。对于您想要这种电压的I / O.如果您使I / O变小,则会在满足I / O的动态范围时会有挑战。“

在5nm时,量子效应也开始爬入图片,直接影响I / O电压。“较低的I / O电压有压力,但提高了辐射闩锁的问题,这可以真正弄乱可靠性,”Nandra说。“它会影响将设备翻转到”ON“和”关闭“状态的P-N结,传统上已经由铸造厂的设计规则处理。那些确定如何空间设备。“

虽然这已经变得很复杂,但至少在智能手机等设备中是可以理解的。在其他市场,设备最终将如何使用,以及需要或部署何种连接,就不那么确定了。例如,考虑一个商业机器,它从来没有与任何电子设备连接。为远程诊断和现场警报添加连接性还需要随着时间的推移更新这些协议的能力,目前还不清楚哪些协议将得到广泛应用。

日益增长的数据价值
除了这些技术挑战之外,还有另一个基本移位,这会影响I / O--这些公司内部许多公司和人民的数据增加。这不仅仅是挖掘营销趋势和异常的数据。在某些情况下,这是企业本身的核心。

“对于电子商务网站,更快的响应意味着你可以卖出更多的商品,”杰出的发明家和解决方案营销副总裁史蒂文·吴说Rambus。“但是您无法将所有这些数据运送到云端,因此在边缘进行了更多的计算,您只能发送必要的数据。”

问题是计算体系结构并没有为此进行优化。几十年来,常用的方法一直是提高处理器的速度并增加固定的内存。现在的重点是定制硬件加速和定制内存量,以促进更分布式的数据处理。

“我们现在在摩尔时代的后期,因为摩尔定的法律不再为现代缩放工作了,”沃奥说。“数字数据的增长比以往任何时候都更快,并且通过该数据分析数据或搜索的能力不同于现有的架构是为了做到的。您需要更改内存,I / O和整体架构,以及这些都是主动研究领域。“

还有许多新的内存技术正在调查中,以填补DRAM和SRAM之间的差距,以帮助消除其中一些数据瓶颈。最着名的是3d-xpoint,reram和mram,但还有很多其他。Woo预计其中一两个会成功。

更多的I/O问题
除了所有这些问题和班次之外,I / O正在添加到永不支持过去的I / O的芯片,例如微控制器。

“从成本的角度来看,使用MCUS设计设计的能力在某些市场中提供了优势,”首席技术官Drew Wayard说超声。“但如果您必须使用经过验证的无线解决方案,则存在劣势。有些数据速率远远超过这些芯片的数据速率,并且基础架构对高带宽接口不友好。因此,即使I / O本身在硬件上完成,您倾向于在软件中进行其中一些。这为安全带来了担忧,因为有更多的攻击设备的方法。“

它还提出了关于需要支持的协议数量的价格有意识的市场问题。“物联网需要各种各样的协议,并且有一种过度设计的趋势,”Wayard说。“但是你不能过度设计成为一个成本敏感的市场。您也无法将所有此I / O添加到某些应用程序,因为如果电池未持续超过一周或一个月或一年,则无法工作,具体取决于设备。你不能让界面消散权力,你必须积极管理这些东西。“

一种解决方案可能是简单地减少协议的数量,并且似乎至少在该方向上的一些运动。斯科特·雅各布森,韵律验证IP产品营销总监表示,蓝牙5.0可以很好地取代ZigBee,这在机器到机器空间中的WiFi之间挣扎,短程对等区域中的蓝牙。

“蓝牙的新版本是较低的功率,更高的性能,并引入网状网络来解决点对点。这意味着当您将一对耳机连接到您的车立体声时,它不仅限于一个设备。如果用户走进有蓝牙打印机和文件存储的办公室,则可以在网格上注册所有设备。在新标准中,数据容量上升800%,速度为2倍,范围为4倍。这意味着更高的信号覆盖率和双倍速度。“

但这个市场上没有任何完美的东西,因为这么多是恒定的助焊剂。Jacobsen指出,很多公司都没有执行单独的蓝牙芯片。因此,当组合多个RF元素时,它们正在摔跤。处理新标准的更高速度也存在挑战。

结论
I / O将来将继续在未来主导芯片设计。计算模型已从独立计算更改为连接计算,因为数据量大于任何单个设备的能力。

作为回应,曾经是一个相当简单的架构的事后思考现在变成了一个战略思考,它可以决定一个成功的产品和一个在所有指标上表现糟糕的产品之间的区别。随着物联网和工业物联网的发展,除了处理数据之外,移动数据的重要性也将在每个新的流程节点上继续增长。

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