异构芯片成未来趋势,解析已成功量产的国产自研异构芯片

2022-03-16 若贝微电子
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1. 何为异构芯片

类似于Intel的CPU+Altera的FPGA或者AMD最新整合的CPU+Xilinx的FPGA架构,都是异构芯片。异构芯片即结合两种或多种不同类型的处理器或控制器架构的芯片。异构芯片可以是CPU+FPGA,也可以是CPU+AI,也可以是CPU+动态可重构等不同架构,这些架构都是利用一种架构的优势来弥补另外一种架构的不足,以适应用户多种用途的应用需求。


2.异构芯片的设计难度有多大? 

(1)异构带来的设计复杂性增加百倍;

一种架构的设计难度已经是很多企业难以达到的高点,同时拥有两种架构并达到有效融合,更是难上加难。

(2)异构封装成本大幅增加;

Intel合并Altera一开始采用的就是CPU+FPGA联合封装的形式,这种形式是最快实现异构的手段,但是要实现一体化控制,还是需要在一颗芯片上实现两种工艺的集成,这个难度远远大于合封。因此,异构封装只是过渡手段。

(3)上层的软件设计的复杂度也提高百倍;

异构平台最大的难度就是开发难度。两种架构代表着两种思维,要在一套工具中融合两种思维,难度远大于开发一种思维的工具。如果牵扯到两个架构采用的编程语言不同,那更是工程师的噩梦。


3.目前市面上有哪些常见的异构芯片厂家? 

由于异构芯片的难度很大,目前市面上异构芯片只有为数不多的几家。

(1)CPU+FPGA

这个类别的异构是近期刚刚兴起的异构模式,主要应用于服务器和云计算,代表企业为Intel和AMD。其中AMD仅仅刚完成合并Xilinx。

(2)CPU+AI

在AI领域,独立的AI已经很难打开市场,随着带宽的需求加大,集成一体化芯片已经成为必然。代表企业为华为、高通等。

(3)CPU+动态可重构

工程师开发出不需要提前制造出来功能模块,只需要在使用的时候配置出来就行的动态可重构架构。随着技术的发展和更新迭代,这种技术越来越被世界认可,美国国防高级研究计划局(DARPA)2017年曾经发布了其电子复兴计划(ERI),其中的SDH(软件定义硬件)项目重在打造可以实现微秒到纳秒级别的超高速动态可重构架构。

其实SDH不仅美国在做,中国也在做。清华大学魏少军教授早在十几年前就提出了可重构计算,青岛若贝电子有限公司在2015年就实现了自适应动态可重构芯片。美国SDH还在研发阶段,若贝已经完成了MCU+自适应动态可重构的芯片量产。


4.异构芯片好用吗?

很多企业和个人都被目前市面上的CPU+FPGA应用震惊了,因为CPU的软件开发思维和FPGA的硬件逻辑思维是完全对立的。一个项目需要一支软件开发团队和一支硬件开发团队,同时还需要一个驱动开发团队。这样严重地增加了成本。由于软硬件设计思维的对立性,导致软硬件团队在设计的时候需要反复沟通,多次冲突。硬件开发的周期远远超过软件,这样无形拖长了项目周期,延长了上市时间。

但是并非所有异构芯片应用开发都这么复杂。若贝沉芯异构芯片统一了开发平台,简化了自适应动态可重构的开发难度,实现了可视化。开发人员只需要掌握C语言和算法即可,CPU开发采用传统的串行方式以代码实现,自适应部分采用可视化并行实现,开发者就像下棋一样,落子连接,就可以实现配置。配置生成后可以自动与软件融合,开发者只需要调用C语言接口就可以在芯片中实现重构。


5. 异构芯片很贵吗?

异构芯片是2个以上的芯片架构的融合,其成本远超2颗芯片的价格。服务器异构芯片价格起步是四位数,高的可能到六位数。但是面向嵌入式应用的若贝沉芯芯片的定价接近一个DSP的价格,等于是一颗芯片的价格,但是开发者拥有的却是两颗融合架构的芯片。


6. 这个沉芯异构芯片是什么鬼?

沉芯芯片架构就是一个通过自适应架构来实现数字集成电路微秒到纳秒级的超高速动态可重构。微秒级别的切换人是感受不到的,眨眼功夫芯片已经重构了几万次。这就实现了以有限的面积实现无限的功能。

       

沉芯异构芯片实现了将负责串行处理的MCU/CPU架构与并行处理的自适应动态可重构架构融合为一颗芯片,实现串并行自由切换和一体化运作,采用统一的开发工具,将调度交给MCU,处理交给自适应,各司其职。这样打造的异构芯片避免了数据进出的带宽限制,降低了功耗,减小了硅晶圆的面积,完成了性能与成本的最优化。该芯片具备控制流的串行计算和数据流的并行计算,并且可以在串并行计算之间自由切换,一颗芯片可以替代CPU+DSP、CPU+FPGA或CPU+DSP+FPGA的多芯片系统。


7. 沉芯芯片是中国自主可控的么?

沉芯异构芯片采用自主研发的架构,处理器支持开放指令集RISC-V,尤其是动态可重构的自适应计算阵列获得了中国、美国、加拿大的发明专利,拥有相应的软硬件开发平台,为用户提供快速便捷的开发环境。

8. 沉芯芯片有哪些外设接口可用?

若贝量产的一颗中等型号沉芯异构芯片编号为RAC102XXX,该芯片支持RISC-V开放指令集的RV32IM,三级流水,支持10MHZ~200MHZ主频, 72个32位元的动态可重构计算单元、12个32位乘法器及单精度浮点计算单元(IEEE-754标准)、通用接口为SPI、QSPI、UART、PWM、I2C、SDRAM(RAC101和RAC102不含)、按组可配置GPIO等。


沉芯芯片结构示意图


沉芯支持通过软件对内部虚拟引脚按照组进行重构(Remap),每个组八个引脚,可以和物理引脚进行分组映射,比如代表虚拟引脚的GPA,可以映射到物理的引脚C7~C0,代表虚拟引脚的GPD,可以映射到物理引脚B7~B0。每组映射比特位也相互对应,如GPA0对应C0, GPA5对应C5等。


芯片内部虚拟引脚与物理引脚按组重构图


Robei IED Tool

9. 沉芯芯片可以用在哪里?

应用领域为:嵌入式、数字信号处理、机器人、智能家电、智能家居、物联网、智能玩具、电机控制等

典型应用场景:

1. 家电的末端智能(洗衣机、冰箱、空调、集成灶、洗碗机等等)

2. 小型机器人

3. 无人船和无人艇

4. 智慧海洋浮漂

5. 可穿戴设备

6. 指纹锁

7. 电动工具控制器

8. 智能玩具

9. 小家电(电饭煲、榨汁机、烧水壶、饮水机等等)

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  • 乐平 Lv7. 资深专家 2022-05-23
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  • 乐平 Lv7. 资深专家 2022-05-23
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  • 海姆霍兹王工 Lv7. 资深专家 2022-05-23
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