MPF2007:微处理器技术展望

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  5月23日在美国圣何塞举办的2007年微处理器论坛(Microprocessor Forum 2007,MPF 2007)作为In-Stats处理器论坛(In-Stats Processor Forums)的延续,为全球的微处理器设计者和厂商提供了一场精彩纷呈的技术盛宴。
  随着半导体工艺从65nm发展到45nm,内核架构、加速器、多核技术以及与之配套的软件架构技术已成为设计中最困难的部分。
  针对芯片架构设计,互联网上有许多相关的论坛,许多大公司内部也有开发者大會,但是19年来,在圣何塞和世界其他地方举行的In-Stats微处理器论坛已成为全球新处理器和相关新技术的发布盛会,它吸引了来自全球各地的参与者。
  Intel技术制造部负责人Mark T. Bohr宣布该次大会开幕,并重点介绍了高k技术以及它对未来半导体技术的影响。本次大会设立了6个分会场,分别就计算机技术进展、低功耗技术、处理器技术进展、视频与图像多核架构技术、嵌入式处理器技术以及专用平台等展开讨论。
  除了芯片行业大家所熟知的AMD、Intel、Renesas和NVIDIA等公司,NTT DoCoMo、Denso和AMCC等行业芯片厂商也参加了此次论坛活动,各家厂商都在这次论坛上发布了自己的新技术和新产品。
  
  NVIDIA:让显示芯片成为多用途CPU
  
  NVIDIA极力提倡利用GPU作为附加CPU来增强计算能力的设计思想。在MPF 2007上,NVIDIA的John Nickolls在视频与图像多核架构技术分会场作了题为《NVIDIA CUDA软件和GPU并行计算架构》的报告。他认为,很多人都会希望GPU在没有图像处理任务时承担一些其他的计算工作,因此可以让GPU和CPU并行工作,它可以提供2000亿次浮点计算能力。
  NVIDIA在5月24日还发布了一款称为CUDA (Compute Unified Device Architecture) 的软件测试版本,该软件的正式版本预计将在2007年下半年发布。CUDA可以让开发者控制GPU执行一些通常由CPU执行的计算工作。Nikolls表示,将GPU当作CPU来用并不是什么新的思路,但是CUDA能让软件开发人员更容易实现这一目的。目前,CUDA软件只支持NVIDIA Geforce 8800/8600以及Quadro FX 4600/5600系列GPU。
  GPU主要用于图形图像处理,多数时间会一直保持空闲状态。Nicolls表示,GPU实际上是一个高性能大规模并行计算设备,而NVIDIA现在只是试图挖掘它在通用计算方面的能力而已。将GPU用于通用计算对于需要高性能计算的许多领域都具有实际意义,譬如科学、医疗、财务等等。
  NVIDIA的想法与AMD在MPF 2007上提出的想法不同,AMD在收购了ATI之后,正在开发整合CPU和GPU的Fusion处理器。Nickolls说:“Fusion的研究重点在于降低CPU和GPU整合的成本,而不是将研究重点放在性能的提高上。”
  
  Resensas: 新一代CPU架构
  
  在处理器进展分论坛上,Resensas公司宣布他们正在开发一种全新的处理器架构,并说采用该新型架构的CPU将较之以前的微处理器在程序代码效率、处理性能和功耗方面带来“革命性的变革”。
  Resensas声称将推出两款采用该新型架构技术的CPU产品,以满足16位和32位市场的不同需求。同时,Resensas保证两款新产品将与目前的CPU产品互相兼容,并且表示他们将为这两款新产品提供升级途径和空间。
  同时,Resensas声称采用了新架构的两款CPU将优于Resensas现有的M16C和H8S两款16位CPU以及R32C和H8SX两款32位CPU,但是在指令集、外围寄存器组及开发工具等方面均与现有的产品系列互相兼容。它将兼具M16C与R32C CPU优异的程序代码效率,以及H8S与H8SX CPU的高速数据处理能力等优势。
  此外,新的CPU架构将进一步延伸这两个产品系列的低耗电与低噪声特性。结合上述功能,Resensas的目标是达到最好的整体效能,包括程序代码效率、处理效能、耗电量及成本优竞争势。其中,程序代码效率特别重要。因为它有助于降低系统程序的大小,并可通过采用闪存来降低整体系统成本。通过采用这项新架构,Resensas希望能减少30%的程序代码数量以及50%的CPU功耗。
  Resensas表示,整合采用此新架构之CPU的设备,其效能将可由16位提升至32位CISC。这些CPU将易于使用并将缩短系统制造商的开发时间。此外,由于维持与既有产品的兼容性,新款CPU将可让现有及未来的客户保护其工程设计的投资。
  新款CPU的规格预计将于2008年上半年发表,而搭载新款CPU的第一款组件预计将于同年第二季开始提供。这款产品采用90nm Flash MCU制造工艺,代号为CY2009,主要用于汽车嵌入式系统。
  
  AMD:未来的移动CPU
  
  AMD未来的移动CPU进入我们的视野。在本次大会上,AMD的院士Maurice Steinman在低功耗技术会场作了题为《打破平衡:下一代移动平台性能与能耗管理》的报告,并在会场展示了新的移动处理器Griffin。该处理器比一块CF卡还小,是AMD即将针对笔记本电脑市场推出的新利器。
  Griffin是AMD下一代的双核移动处理器,采用65nm工艺制造。Griffin重新设计了北桥芯片,采用双通道DDR2存储器接口,支持HyperTransport 3。每个内核均具有1MB专用二级高速缓存,它成为AMD第一个真正意义上的移动处理器。
  AMD计划将在2008年投产专门为移动通讯设计的 Griffin产品,并将在2009年投产首款内置了GPU的Fusion移动处理器。在大会现场,AMD计算产品组的Maurice Steinman公布了Griffin样品芯片的技术概要。
  同时,他也谈到了Fusion处理器的研究进程,AMD将采用一系列技术来提升电池寿命和整体移动计算能力。他说,该处理器之所以称成为Fusion,正是因为它整合了CPU和GPU。
  In-Stats的首席分析师Max Baron表示,Fusion的研究是带有革新性的,将结束处理器作为商品产品的时代。
  “它们属于新的知识产权和高端物理技术”,Baron说,“其中一些距离最终产品化也只有几年的距离了。”
  
  AMCC:低功耗Titan处理器
  
  AMCC公司也在大会上宣布了它的下一代Titan处理器家族系列的细节。采用双核的Titan处理器将在软件上兼容AMCC的PowerPC 440 系列CPU,提供8000 Dhrystone MIPS的性能,并保证在2GHz时功耗仅2.5瓦。
  Titan处理器采用了Intrinsity的 Fast14技术。该技术让采用多核技术的Titan处理器在通用的90纳米CMOS制造工艺下能提供更好的性能并保持较低的功耗,同时避免了像新型硅基集成电路材料的成本和复杂度。
  AMCC的Titan系列处理器用途非常广泛,包括Wi-Fi、移动通讯以及WiMAX、IP和基于以太网的网络、多功能打印产品、工业电子产品市场等。AMCC表示,对于低端的嵌入式应用,芯片开发者可以采用单核的Titan CPU;而对于中高端的应用,则可以采用双核或4核的Titan CPU来设计。
  
  效率遇上环保问题
  
  众多芯片厂商均在MPF 2007上宣称,基于目前的研究成果,他们能满足高性能和节能方面的要求。基于新型材料制造的能降低独立处理器功耗的处理器是在此次会议中被极力推崇的创新成果之一。
  多年以来,芯片制造商追随摩尔定律,把研究重点放在提高处理器的速度上,使处理器的功耗每两年就增加一倍。近来,他们正尽力提高节能水平,以延长移动设备中的电池寿命和降低服务器及其他计算机设备中的耗电量。随着能耗的增加,由此而来的环境污染也会增加,由环境保护主义者和美国前副总统AL Gore而得名的“戈尔定律”(Gore’s Law)指出了降低电力消耗和二氧化碳排放的紧迫性。
  Intel表示,通过向硅电路中增加一个新层,能在提高处理器性能的同时降低功耗。Intel的Mark Bohr表示,Intel用高k介电材料和金属栅极代替原来的氧化硅栅极,能改善绝缘性能从而减少电泄漏。
  Intel的高级主任工程师Stephen Fischer认为,摩尔定律对于Penryn处理器仍将具有旺盛的生命力和适用空间。 Penryn处理器将改进电源管理技术,它允许操作系统在某些处理器空闲时降低它们的功耗。
  Intel负责万亿级计算项目研究的主管Jim Held表示,Intel也在研发万亿次计算技术。该技术能使处理器拥有80个处理器内核,这有利于提高并行处理的灵活性或同时执行多任务的能力。
  Held还表示,万亿次计算是否真正有用依赖于软件和内存的研究能否与之保持同步。Intel另一位研究者Ravi Iyer解释了多级缓存技术,该技术可使芯片根据待处理数据流的重要性来决定是否将其存放在芯片缓存中。
  AMD院士Maurice Steinman表示,AMD公司正在研究移動处理平台技术,它的Griffin处理器,配合Puma平台,可以在空闲时降低系统功耗。
  
  NTT DoCoMo:成功需要关键设备
  
  NTT DoCoMo美国分公司通讯实验室高级副总裁Eisuke Miki在主题报告中称,那些决定运营商在移动通讯市场成败的设备才是关键设备。
  他表示,在与移动服务有关的市场,手机是消费者能接触的唯一设备,因此全球的运营商必须提供一个具有强大吸引力和较好性价比的基于全球战略意义的设备。而及时利用超精细加工工艺和低功耗技术开发低成本的大规模集成电路(LSI)设备将有利于降低最终产品的成本。Miki还表示,必须加强LSI设备开发和核心软件开发中的协作。他认为,开发一个通用平台将更有利于更加高效地开发手持终端设备。
  Miki表示,从目前的通信技术过渡到可以保证1Gbps数据传输速度的4G通信技术的真正实现,还需要很多年的时间。而NTT DoCoMo公司做此项研究的技术实验室自从2002年12月进行第一次分组传输实验开始,就已经开始了这方面的研究工作。其后,该公司完成了其他领域的实验,并且在2006年12月成功进行了5Gbps的分组传输实验。
  Miki认为,在到达4G之前,Super 3G技术备受期待。该技术的基本目标是满足用户在高带宽传输和服务质量方面的需求,同时也提供一个向4G平滑过渡的平台。
  Miki表示,Super 3G技术的无线访问要求能克服以前在传输方面存在的各种制约因素。这不仅仅表现在数据传输速度、传输尺寸和平均性能方面,而且将重点放在低延迟的实现方面。
  Super 3G技术具有一个至关重要的优势:就是它使用现存的3G频谱。因此在此基础上做进一步的改进和提高,可以使运营商能维持长期的竞争态势。
  对于Super 3G的标准化,Miki表示,尽管很多公司现在极力支持这项技术,但是最终达成一致还是花了很长的时间。实际上,在2006年6月,该技术基础系统的概念和性能评估就已经完成了。2006年6月,3G工作组已经同意将工作转入工作项(Work Item)阶段,并且限定在2007年9月完成详细规范的制定工作。
  
  链 接:Denso:汽车世界的处理器革命
  
  在5月24日下午的主题报告中,日本汽车设备制造商Denso公司研发中心高级经理Hideaki Ishihara 描绘了一幅未来世界的生动画面,那是一个被集成了各种微处理器的汽车所充斥的世界。
  “将来,通过使用声音、图像和生物技术,交通工具中的人机界面将会得到极大的改善。”Ishihara在介绍Denso公司采用新技术的交通系统视觉技术时说,“高速公路也将配备高速公路辅助导航系统(Advanced cruise-assist Highway System,AHS)来支持新的交通工具。”
  他总结道:“这将降低交通拥塞,提供安全、环保、舒适的驾驶体验,这将是Denso公司的目标。”
  为了实现安全畅通的交通运输,Ishihara详细介绍了未来微处理器或嵌入式计算机在汽车稳定性、导航、安全气囊以及撞击预测中的应用情况。
  抵达美好的彼岸并非没有阻碍。Ishihara承认多核技术并不是汽车系统中所必需的——虽然该技术对于需要高性能处理的导航系统是很有用的。但是对于多数基础应用,像汽车中的传感器、传动器、动力控制和安全气囊系统,则不需要多核处理器。
  不过Ishihara也认为,汽车领域的处理器革命正在到来,并且只有最适合的技术才会取得成功。“汽车嵌入式系统的数量将会随着未来自动化驾驶社会的到来而迅速增加”,Ishihara总结道,“满足专用需要的微处理器将主导未来的汽车市场。”
  
  链 接:Intel: 45nm工艺的高k介电材料技术
  
  始终坚定追随摩尔定律的Intel公司,大力支持将高k介电材料与金属栅极作为通向更小制造工艺的最佳途径。
  “我们已经真正进入了一个制程缩小(Process Scaling)的新纪元。”Intel高级副总裁Mark Bohr在主题报告中说道,“继续前进,处理器设计不仅是一个标度指数的问题,而是关于新结构和新物质应用的问题。”
  当处理器的线宽变得越来越窄时,如何防止处理器的漏电将变得越来越关键。为了继续摩尔定律所预测的因较小尺寸的处理工艺带来的优势,Bohr认为,防止晶体管电量泄露的新方法是非常关键的。Intel已经决定采用改变现有标准晶体管设计的两种关键方法去防止电量泄漏:在硅衬底和低电阻层之间用铪基高k材料取代二氧化硅,采用金属代替多晶硅作为栅极材料。
  Bohr说,高k介电材料与金属栅极的组合能使晶体管驱动电流增加1/5,使源极-漏极漏电降低到原先的1/5,同时使栅氧化层电泄漏降低到原先的1/10。
  这种改进晶体管的设计不仅仅只停留在实验室实验阶段。Bohr表示,Intel已经有一个45nm生产线来满足目前的可靠性要求,并且可以量产。预计Intel今年下半年将推出采用新型材料的45nm工艺处理器。
  为了进一步强调Intel在采用高k介电材料实现更小的加工工艺方面的优势,Bohr将其与IBM Airgap技术作对比,Airgap技术采用真空来代替硅和高k栅极材料。
  Bohr说:“IBM没有完全公布Airgap技术存在的许多问题。由于该技术需要使用一种特殊的掩模,采用该技术将是非常昂贵的。另外,采用真空互连较之采用能跟晶体管铜线互连的绝缘材料相比,可靠性要差一些。”
  互连中的成本和可靠性问题是非常重要的,并且,他不认为采用真空作为介质可以解决这些问题。他认为低k的绝缘材料比采用真空作为介质的技术更有前景,目前他们也正在寻找类似的材料。
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