嵌入式SoC或與CPU爭(zhēng)未來統(tǒng)領(lǐng)

SoC，System?on?Chip，也即片上系統(tǒng)。SoC在目前的大數(shù)據(jù)時(shí)代也將迎來新一輪爆發(fā)性增長(zhǎng)。SoC在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)制造、交通和商業(yè)等等。而如今的SoC也將突破原有的“片上系統(tǒng)”的范疇，將成為越來越智能的微小系統(tǒng)，并涵蓋CPU、IP核、存儲(chǔ)器等在內(nèi)的一系列模塊。另一方面，這兩年ARM與X86之間的爭(zhēng)斗愈演愈烈。以Intel為首的X86陣營(yíng)滲透移動(dòng)終端，蠶食ARM市場(chǎng)份額；而不甘寂寞的ARM也向企業(yè)級(jí)領(lǐng)域進(jìn)軍，意欲分得一杯羹。

SoC是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，它將系統(tǒng)上最為關(guān)鍵的部件集成在一塊芯片上。從廣義角度來說的話，它是一個(gè)微小型系統(tǒng)，包括微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器(或片外存儲(chǔ)控制接口)等部件。這種SoC通常具有鮮明的行業(yè)應(yīng)用特征，以具體的客戶需求為主導(dǎo)并設(shè)計(jì)開發(fā)。SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、SoC驗(yàn)證技術(shù)、可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)等。

SoC的應(yīng)用十分廣泛。最為常見的當(dāng)屬我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫?a target="_blank">智能手機(jī)。比如蘋果A4處理器就是基于ARM處理器架構(gòu)的SoC，它集成基于45納米制程的一顆ARM?Cortex-A8處理器內(nèi)核以及一顆PowerVR?SGX?535圖形處理內(nèi)核。A4采用堆疊封裝技術(shù)PoP（Package?on?Package），內(nèi)部包括處理器核心和內(nèi)存部件。

另外，便攜式無人飛機(jī)也有這種SoC。比如內(nèi)置ARM9?CPU,?Linux操作系統(tǒng),?通過WWAN管理開放的Linux內(nèi)核控制重力感應(yīng)裝置、陀螺儀、機(jī)械控制芯片協(xié)同工作。從這里我們不難看出，SoC嫣然就是一個(gè)微小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，涵蓋了軟硬件和各個(gè)部件，從而形成無人機(jī)的“大腦”。

在嵌入式領(lǐng)域，基于ARM架構(gòu)的處理器頗受關(guān)注。在PowerPC、RISC、MIPS和SPARC等眾多處理器市場(chǎng)領(lǐng)域，采用ARM處理器作為實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)的SoC嵌入式應(yīng)用十分豐富，包括從標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品到軟核ARM?IP，直至在可編程邏輯和ASIC中實(shí)現(xiàn)的硬核IP等。

ARM微處理器因其卓越的低功耗、高性能在嵌入式應(yīng)用中位居世界第一。今年年初，為通信和多媒體產(chǎn)業(yè)開發(fā)片上系統(tǒng)和基于ARM和ARM指令集兼容應(yīng)用程序處理器的高通公司，開始著手致力于“針對(duì)功耗優(yōu)化服務(wù)器市場(chǎng)的高通新型ARMv8基于服務(wù)器的SoC?ASIC的架構(gòu)/系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。ARMv8是面向服務(wù)器級(jí)別的ARM64位架構(gòu)，具有ECC、能夠滿足常見企業(yè)應(yīng)用程序的高擴(kuò)展和高性能。

與該ARMv8兼容的內(nèi)核，包括專為低功耗使用的Cortex-A53和對(duì)性能要求較高而設(shè)計(jì)的Cortex-A57。高通也是第八家基于ARM服務(wù)器開發(fā)SoC片上系統(tǒng)的公司，其他還包括AMD、Applied?Micro、Cavium、Calxeda、Marvell、Nvidia和三星。預(yù)計(jì)首個(gè)64位架構(gòu)的ARMv8芯片將在2014年推出。

今年4月，AMD面向全球推出了全新一代嵌入式G系列處理器。AMD全新的嵌入式處理器，將原有的APU產(chǎn)品進(jìn)行了全面升級(jí)。AMD的嵌入式處理器源于APU，此前AMD成功的嘗試了將CPU與GPU進(jìn)行融合，產(chǎn)生了當(dāng)時(shí)的高性能高集成度處理器APU，在行業(yè)內(nèi)引起廣泛關(guān)注。除了我們熟悉的PC領(lǐng)域的APU，當(dāng)時(shí)AMD還推出了嵌入式G系列APU。在嵌入式領(lǐng)域，嵌入式G系列APU除了性能優(yōu)勢(shì)之外，還能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，應(yīng)用領(lǐng)域變得更加廣泛。

不過嵌入式G系列APU的使用依然要依賴于芯片組支持，其解決方案依然需要雙芯片，即APU處理器以及南橋芯片。后來AMD通過努力進(jìn)一步提高了芯片的集成度，將CPU、GPU和南橋芯片整合到了一起，這樣嵌入式G系列APU就進(jìn)化成為了當(dāng)今的嵌入式G系列SoC芯片。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，由于G系列嵌入式SoC一個(gè)芯片就已經(jīng)具備了整個(gè)硬件平臺(tái)的全部功能，因此可以被廣泛使用在數(shù)字標(biāo)牌、瘦客戶機(jī)、工程控制、游戲機(jī)等領(lǐng)域，有效降低系統(tǒng)開發(fā)的難度，同時(shí)為對(duì)應(yīng)的平臺(tái)提供優(yōu)異的硬件性能。軟件部分，AMD聯(lián)合了眾多合作伙伴，基于OpenCL的開發(fā)環(huán)境對(duì)于SoC開發(fā)人員來說駕輕就熟，在對(duì)操作系統(tǒng)的支持上，除了專用的控制系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的X86系統(tǒng)之外，目前還有一些組織把類似Android這樣的開放系統(tǒng)也移植到了這套硬件平臺(tái)上面，因此嵌入式G系列SoC也已經(jīng)可以支持一些Android系統(tǒng)的應(yīng)用。?

集成有4個(gè)Cortex-A9的四核構(gòu)成SoC，芯片上配備了4MB二級(jí)緩存、連接內(nèi)核與芯片間的交叉開關(guān)“EnergyCore?Fabric”，以及DDR3、SATA和PCI?Express2.0等接口。在基于這種SoC的Calxeda服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上，滿負(fù)載（包括內(nèi)存、磁盤等子系統(tǒng)的所有能耗）?情況下，其功耗僅為5瓦，而在閑置狀態(tài)下功耗僅為0.5瓦。相比傳統(tǒng)意義上的服務(wù)器，其能耗可降低90%，同時(shí)也可以節(jié)約90%以上的空間，由此而帶來的則是多達(dá)50%以上的成本節(jié)約。

通過Fabric可集成數(shù)千個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，從而在滿足低功耗、高能效的基礎(chǔ)上避免性能上的短板。高帶寬Fabric可提供良好的節(jié)點(diǎn)互通、I/O、磁盤和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐速率。它最高支持5個(gè)通道，可在每通道1GB和10GB之間動(dòng)態(tài)調(diào)整，延遲時(shí)間低于200ns（納秒）。通過集群級(jí)別的能耗和系統(tǒng)優(yōu)化，還可提供良好的管理應(yīng)用體驗(yàn)。支持SoC能耗管理自動(dòng)化、Fabric路徑和能耗自動(dòng)優(yōu)化，而且也支持業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)管理接口IPMI、DCMI等。其下一代基于ARM的SoC代號(hào)為“Midway”，它基于臺(tái)積電28nm工藝設(shè)計(jì)的ARM?Cortex-A15芯片。這種28nm的Cortex-A15芯片提供了50%的單線程整數(shù)性能提升，而與此相關(guān)功耗僅有少量增加，而且還支持16GB內(nèi)存。